近日，国际学术刊物Nature子刊Scientific Data上发表了由深圳大学和华大海洋合作完成的雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）里程碑性论文^[1]，公布了这个重要经济微藻的高质量全基因组染色体图谱（图1）。该研究还探讨了虾青素生物合成途径关键基因功能亚分化的遗传基础，为红球藻属种质资源的开发利用和虾青素生物合成途径的分子设计等提供了重要的遗传数据参考。

图1 雨生红球藻染色体图谱在Scientific Data上发表

华大海洋研究院副院长卞超副研究员和深圳大学生命与海洋科学学院博士后刘承龙为共同第一作者，深圳大学生命与海洋科学学院院长胡章立教授和深圳大学特聘教授、华大海洋研究院院长石琼院士为论文的共同通讯作者。

主要结果

淡水单细胞绿藻雨生红球藻（图1a）是生产天然虾青素的优质生物资源，具有极高的营养价值和药用价值，已于2010年被我国卫生部批准为新资源食品。虾青素（即3,3-二羟基-4,4-二酮基-β,β-胡萝卜素）属酮式类胡萝卜素，是一种具艳丽红色和强抗氧化性能的萜烯类不饱和化合物，已被广泛用于食品、保健品、药品、化妆品和饲料工业的高附加值生产领域。因此，破译雨生红球藻基因组所蕴含的遗传信息，对于挖掘雨生红球藻藻种资源和优化虾青素合成途径具有重要意义。然而，早期双方合作基于二代测序获得的雨生红球藻基因组草图（约600Mb）^[2]在基因组完整度和基因连续性等方面受限，有关数据不够理想，但与染色体图谱仍存在一定的1:2对应关系（图2）。

图2. 染色体级别的雨生红球藻组装与二代组装版本共线性比较（a）和染色体14与scaffold7和scaffold81共线性图示（b）。

本研究在先前已发表的雨生红球藻基因组二代Illumina测序^[2]基础上，结合三代PacBio以及Hi-C测序数据，组装获得雨生红球藻（藻株SAG192.80）的高质量全基因组染色体图谱。组装的单倍型基因组大小约316.0 Mb，包含32条染色体（图3b-c）；Contig N50为304.8 kb，scaffold N50为942.6 kb，共注释到32,416个蛋白编码基因。

图3. 雨生红球藻（a合成虾青素形态图）的染色体级别组装Hi-C热图（b）、Circos图（c）以及藻类代表物种进化树（d）。

基于单拷贝基因家族的全基因组系统发育分析（图3d）表明，雨生红球藻与单细胞绿藻模式物种莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）亲缘关系较近，两者的分化时间约为520.4百万年前 （Mya）。而绿藻与以虫黄藻（Fugacium kawagutii）、共生虫黄藻（Cladocopium goreaui）、鞭毛藻虫（Breviolum minutum）和浮游鞭毛藻（Symbiodinium microadriacticum）为代表的甲藻类分化时间约为564.7 Mya。由此可见，雨生红球藻与莱茵衣藻的分化发生在绿藻属物种诞生初期。红球藻基因组的这种早期分化现象也许是绿藻属鲜有合成天然虾青素物种的原因之一。此外，比较基因组学分析结果表明，雨生红球藻基因组编码的4,592个基因家族存在扩张现象，26,300个基因家族发生了一定程度的收缩。从而推测，这种大多数基因家族收缩、少部分基因家族扩张的遗传学现象或与雨生红球藻较强的种间竞争能力和逆境适应能力相关。

β-胡萝卜素酮化酶（Beta-carotene ketolase，BKT）是雨生红球藻以β-胡萝卜素为底物合成虾青素的关键合成酶^[2-3]。雨生红球藻基因组中共鉴定到5个BKT基因，其中26号染色体上存在BKT1、BKT2和BKT3三个基因串联的现象（图4a）。有趣的是，五种BKT基因具有高度保守的蛋白序列（图4b）、三维结构（图4c）和极其相似的基因结构（图4d）。强光是诱导雨生红球藻大量合成虾青素的主要环境因素^[2-3]。此外，转录组数据分析结果表明，强光显著上调了BKT1、BKT2和BKT3的转录水平，暗示着这个物理串联的基因簇BKT1/2/3在虾青素合成中的功能重要性以及BKT基因家族存在功能亚分化现象。

图4. 五种BKT基因的全基因组分布（a）、蛋白序列（b）、三维结构（c）和基因结构（d）比较。

除了BKT基因，雨生红球藻基因组中其它类胡萝卜素合成酶也明显存在不同程度的基因多拷贝现象。通过比较类胡萝卜素合成途径发现，绿藻模式物种莱茵衣藻基因组中仅编码1个八氢番茄红素合成酶基因（PSY）、1个ζ-胡萝卜素脱饱和酶基因（ZDS1）、1个β-胡萝卜素羟化酶基因（CHY-B）和1个不具备催化活性的BKT基因。然而，雨生红球藻基因组还含有3个PSY、3个ZDS1和8个CHYB基因。其中，另一个虾青素合成关键酶CHYB基因的8个拷贝主要集中于13号和25号两条染色体，也存在物理性基因聚集现象。这些有趣的遗传学现象暗示雨生红球藻基因组蕴含丰富的类胡萝卜素合成基因资源，也指出雨生红球藻虾青素合成途径的重要分子进化机制，这些对深入研发雨生红球藻新品种和开展虾青素合成生物学研究具有一定的指导作用。

参考文献：

[1] Bian C. et al., Scientific Data, 2023, 10:511

[2] Luo Q. et al. Genome Biology and Evolution, 2019, 11(1):166–173.

[3] Higueraciapara I., et al. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2006, 46(2): 185-196.