原綠球藻（Prochlorococcus）是分布在全球熱帶和亞熱帶海域的藍(lán)細(xì)菌，也是目前發(fā)現(xiàn)的海洋中含量最豐富的光合生物。雖然只具有極小的細(xì)胞體積（直徑約0.6 um）和基因組（可以小到～1.6Mbp），但原綠球藻細(xì)胞數(shù)量的龐大以及高效的光合作用，使得其對(duì)于全球生物圈初級(jí)產(chǎn)物的生產(chǎn)和碳循環(huán)具有極其重要的地位。另一方面，目前已有十多種原綠球藻生態(tài)亞種的基因組被發(fā)布，亞種之間基因組丟失的現(xiàn)象很早就被人們發(fā)現(xiàn)并探討過。但是，在這種基因得失劇烈的背景下，仍然有約1250個(gè)蛋白編碼基因?yàn)槟壳皽y序的原綠球藻所共有，其構(gòu)成了原綠球藻的核心基因組（Core genome）。探索穩(wěn)定藍(lán)細(xì)菌核心基因組的力量，不僅是進(jìn)化生物學(xué)的重要命題，同時(shí)對(duì)于更深入地理解最小基因組的內(nèi)涵和外延，乃至運(yùn)用簡約基因組的概念指導(dǎo)光合系統(tǒng)合成細(xì)胞的開發(fā)，都具有重要意義。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田朝光研究組以原綠球藻的典型代表——MED4為例，利用第二代測序技術(shù)（RNA-Seq），全面解析了原綠球藻MED4的操縱子圖譜，轉(zhuǎn)錄本非翻譯區(qū)以及新基因�；谌蚪M的表達(dá)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)水平（RPKM）與分子進(jìn)化速率（Ka）之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（N=1275，Spearman’s r=-0.68，P < 0.001；如圖1）。通過進(jìn)一步比較MED4核心基因和非核心基因在基因必要性和基因表達(dá)水平上的差異，發(fā)現(xiàn)兩者能相對(duì)獨(dú)立地影響分子進(jìn)化速率；即基因表達(dá)水平越高，基因越重要，進(jìn)化越慢。由于核心基因組比非核心基因組（Flexible genome）擁有更高的表達(dá)水平 (圖2)和不可丟失性，所以核心基因組在原綠球藻數(shù)億甚至幾十億年的進(jìn)化中得以保留下來。此外，高表達(dá)的mRNA更加快速的降解，能提高核心基因組蛋白翻譯的魯棒性(Robustness)，進(jìn)而減少細(xì)胞毒性和能量浪費(fèi)。
該研究得到國家“973”計(jì)劃等資助。相關(guān)研究成果發(fā)表在BMC Microbiology 期刊上，中科院碩士研究生王邦為論文第一作者。
