As diatomáceas são um tipo comum de microrganismo fotossintético, encontrado em muitos ambientes do marinho ao solo; nos oceanos, eles são responsáveis ​​por mais de um terço do carbono oceânico global capturado durante a fotossíntese. Isso faz com que uma quantidade significativa de carbono sequestrado acabe nos sedimentos do fundo do oceano. Em ambos os ecossistemas de água doce e marinho, a base da teia alimentar é composta por uma comunidade diversificada de fitoplâncton que inclui diatomáceas que podem se desenvolver em uma ampla gama de temperaturas. No Oceano Antártico ou Meridional, grandes populações de uma determinada diatomácea, Fragillariopsis cylindrus , dominam as comunidades fitoplanctônicas.

Para saber mais sobre como F. cylindrus adaptado ao seu ambiente extremamente frio, uma equipe liderada por cientistas da University of East Anglia (UEA) em Norwich, A Inglaterra conduziu uma análise genômica comparativa envolvendo três diatomáceas, explorando a experiência do Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia dos EUA (DOE JGI), que conduziu todo o sequenciamento e anotação. Os resultados, relatado online em 16 de janeiro, 2017 no jornal Natureza , forneceu insights sobre a estrutura do genoma e evolução de F. cylindrus , bem como o papel desta diatomácea no Oceano Antártico. De particular interesse foi que F. cylindrus , que é diplóide (tem duas cópias de cada cromossomo, portanto, duas versões de cada gene) podem expressar seletivamente a variante mais adequada para ajudá-la a lidar com seu ambiente. Isso fornece resiliência adicional enraizada no genoma para o organismo à medida que seu ambiente muda.

"Muitas espécies, incluindo o fitoplâncton, são endêmicas do Oceano Antártico, "disse Thomas Mock da UEA, quem conduziu o estudo. "Eles evoluíram ao longo de milhões de anos para serem capazes de lidar com este ambiente extremo e muito variável. Como eles fizeram isso é amplamente desconhecido. Assim, nossos dados fornecem os primeiros insights sobre como esses organismos-chave sustentam um dos maiores e únicos ecossistemas marinhos em A Terra evoluiu. "

Para prosperar no Oceano Antártico, F. cylindrus tem que responder a uma ampla variedade de condições, incluindo escuridão, temperaturas de congelamento e descongelamento, e níveis variáveis ​​de dióxido de carbono e ferro. Por exemplo, como muitos fitoplâncton, F. cylindrus fica preso com o gelo do mar no inverno e é liberado no verão, quando a maior parte do gelo do mar derrete.

O genoma de 60 milhões de pares de base (Megabase ou Mb) de F. cylindrus foi sequenciado como parte do portfólio do Programa de Ciências Comunitárias de 2007 do DOE JGI. A versão inicial da montagem do genoma estava disponível em 2010, analisar o genoma exigiu mais seis anos e vários grupos, incluindo genomicistas e geneticistas populacionais. Para a análise comparativa, seu genoma foi comparado ao das diatomáceas, Thalassiosira pseudonanana e Phaeodactylum tricornutum, ambos encontrados em oceanos temperados com maiores concentrações de ferro dissolvido. Esses genomas de diatomáceas foram relatados anteriormente pelo DOE JGI.

A análise revelou quase um quarto do F. cylindrus o genoma continha alelos altamente divergentes, cópias dos mesmos genes encontrados nas outras diatomáceas, mas que divergiu acumulando mutações. A equipe descobriu que esta divergência alélica parece coincidir com o último período glacial, que começou cerca de 110, 000 anos atrás. "Foi notável descobrir que diferentes alelos dos mesmos genes divergem e evoluem para responder a vários fatores ambientais, "disse Igor Grigoriev, Chefe do DOE JGI Fungal Genomics e autor sênior do estudo.

Mock observou que a equipe também encontrou muitos genes "únicos" para F. cylindrus , tais como proteínas de ligação ao gelo e rodopsina. Ele acrescentou que observaram muitas proteínas com domínios de zinco, devido à alta concentração de zinco no Oceano Antártico, que não havia sido encontrado em nenhum outro genoma do fitoplâncton. A família das proteínas de ligação ao zinco parece ter se expandido nos últimos 30 milhões de anos.

"Descobrir que o F. cylindrus A população mantém e suporta uma ampla variação para fornecer a capacidade adaptativa da população sob condições ambientais adversas tem amplas implicações para a nossa compreensão das populações naturais às mudanças nas condições ambientais, "disse Jeremy Schmutz, chefe do programa de planta do DOE JGI e um co-autor do estudo. "Em um nível de genótipo individual, a mudança observada de expressão de uma cópia do haplótipo do gene para a outra cópia do haplótipo sob condições de mudança demonstra a complexidade dos mecanismos de sobrevivência presentes na natureza para traduzir a variação genômica disponível e o conteúdo em resposta ambiental. Para a maioria dos organismos eucarióticos diplóides, consideramos os haplótipos separados como amplamente redundantes, e gerou uma única referência de haplótipo, mas aparece no caso de F. cylindrus a principal variação nos dois haplótipos é vital para a sobrevivência e adaptação da espécie e pode conter variações no conteúdo regulatório. Isso provavelmente mudará a maneira como as técnicas e ensaios genômicos são aplicados pela comunidade às espécies eucarióticas que vivem no oceano. "