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May 22, 2023

규조류의 자매 그룹인 파르말레(Parmales)의 게놈 분석은 포식류 규조류의 진화적 전문화를 보여줍니다.

Communications Biology 6권, 기사 번호: 697(2023) 이 기사 인용 499 5 Altmetric Metrics 세부 정보 액세스 Parmales 목(Bolidophyceae 클래스)은 피코 크기의 작은 그룹입니다.

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 697(2023) 이 기사 인용

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Parmales 목(Bolidophyceae 강)은 실리카 판으로 둘러싸인 세포를 가진 종을 포함하는 피코 크기의 진핵 해양 식물성 플랑크톤의 소수 그룹입니다. 이전 연구에 따르면 파말레스는 흑조류의 구성원이자 현대 해양에서 가장 성공적인 식물성 플랑크톤 그룹인 규조류(문 Bacillariophyta)의 자매임이 밝혀졌습니다. 따라서 파르말레 게놈은 이 두 계통을 구별하는 진화적 사건과 규조류의 생태학적 성공과 파르말레의 보다 비밀스러운 생활 방식에 대한 게놈 기반을 모두 설명하는 참고 자료 역할을 할 수 있습니다. 여기에서는 8종의 파말레안과 5종의 규조류의 게놈을 비교하여 생리학적, 진화적 차이를 탐구합니다. Parmalean은 식균 혼합 영양 생물로 예측됩니다. 대조적으로, 규조류는 식세포작용과 관련된 유전자를 잃어버렸는데, 이는 초기 진화에서 식세포혼합영양에서 광독립영양에 이르기까지 생태학적 전문화를 나타냅니다. 더욱이, 규조류는 파마레안과 비교하여 철분과 실리카를 포함하여 영양분 흡수와 대사에 관여하는 유전자 세트가 상당히 풍부하다는 것을 보여줍니다. 전반적으로, 우리의 결과는 Parmales 계통에서 갈라진 후 규조류 진화 초기에 식균 혼합 영양의 상실과 규화 광독립영양 생활 단계로의 전문화 사이의 강력한 진화적 연관성을 제시합니다.

Parmales 목(Bolidophyceae 강)은 규화판으로 둘러싸인 세포를 가진 피코 크기(2~5 μm)의 진핵 해양 식물성 플랑크톤 그룹입니다1. 파말레안은 극지에서 열대 지역까지 바다에 널리 분포하며, 극지방과 아북극 지역에 상대적으로 풍부합니다2,3. Parmalean 서열은 Tara Oceans의 전 세계 해양 메타바코딩 데이터 중 피코플랑크톤 부분(0.8-5 µm)에서 가장 풍부하며 광합성 유기체 서열의 최대 4%, 평균 <1%를 나타냅니다2. 현재 파말린의 분류군은 17개에 불과합니다3,4. SEM 및 TEM 관찰, 분자 계통발생학 및 광합성 색소 분석을 통해 파말레안은 규조류(문 Bacillariophyta)의 자매 분류군인 Bolidophyceae(ochrophytes)5에 속한다는 사실이 나타났습니다. Bolidophyceae에는 주로 아열대 해역에 서식하는 피코 크기의 광합성 나체 편모(bolidomonads라고 함)도 포함되어 있습니다6. 새로 분리된 몇 가지 균주를 사용한 최근 계통발생 분석에 따르면 편모가 있는 bolidomonad 종은 Bolidophyceae 내의 규화 및 비편모 parmalean 속에 속하는 Triparma에 속하며, 이는 Triparma 수명 주기가 규화/비편모 및 벌거벗은/편모 단계 사이에서 전환된다는 것을 의미합니다2.

규조류는 트라이아스기-쥐라기 경계 근처(약 2억년 전7)에서 출현한 것으로 추정되는 비교적 젊은 단세포 진핵생물 그룹입니다. 짧은 진화 역사에도 불구하고 규조류는 현대 해양에서 가장 성공적인 식물성 플랑크톤 그룹을 대표합니다. 그들은 최대 105종까지 매우 다양하며8 해양 일차 생산에 광범위하게 기여하여 전체 행성 광합성의 최대 20%를 수행합니다. 규조류는 용승 지역과 같은 역동적인 환경에서 특히 성공적인 것으로 생각되며 규조화 세포벽 방어9 및 고급 영양분 흡수10와 같은 특성이 규조류의 생태적 성공을 뒷받침한다고 제안되었습니다. 그러나 지난 20년 동안 규조류 게놈에 대한 이해가 발전했음에도 불구하고 현대 해양에서 규조류가 성공할 수 있었던 이유는 여전히 잘 알려져 있지 않습니다. 규조류의 생태학적 성공을 이해하려면 이 분류군에서 생리 관련 유전자의 진화에 대한 특성화가 필요합니다.

파르말레안은 규조류와 가장 가까운 친척이지만, 자매 분류군에 비해 바이오매스, 종 다양성, 생태학적 영향이 훨씬 낮습니다. 규화/비편모화 단계와 벌거벗은/편모화 단계 사이를 전환하는 제안된 파말레 생활주기는 제안된 규조류의 기원과 유사합니다2. 조상 규조류는 규화 이배체 접합체를 형성하는 반수체 편모일 가능성이 있습니다11. 접합체의 유사분열은 중심성 규조류12를 발생시키기 위해 우선적으로 발생했을 수 있으며, 이는 유성 생식을 위한 벌거벗은 편모 반수체 수컷 배우자를 생성하는 이배체 영양 단계를 가진 가장 오래된 규조류 그룹입니다13. 따라서 파말레안과 규조류의 비교는 생태학적 전략과 진화 경로의 차이에 대한 중요한 단서를 제공할 것으로 기대됩니다. 현재까지 파르말리언에 대한 제한된 게놈 데이터만 이용 가능했으며14, 파르말레안과 규조류의 차이를 가져온 게놈 특징과 진화 사건은 아직 연구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이 연구에서 우리는 7개의 새로운 파말레안 게놈 어셈블리를 생성했습니다. 이 7개의 초안 게놈, 이전에 결정된 1개의 파말레안 게놈 및 5개의 공개적으로 이용 가능한 규조류 게놈을 사용하여 비교 게놈 분석을 수행했습니다. 우리의 결과는 분기 후 이 두 계통의 진화 궤적을 묘사하고 생태학적 특징을 게놈 기능과 연관시킵니다.