一种微小的藻类正在世界范围内引起有毒藻华，影响了美国的24个州，尤其是德克萨斯州。一项新的研究发现，这种病菌的遗传多样性可以帮助有关部门预测何时会出现花海。

樱草花每年冬天都会在德克萨斯州开花，这使得德克萨斯州公园和野生动物部门对几个湖泊进行了监测，以寻找下一次开花的迹象。“当它们开花时，它们不仅仅会杀死鱼。它们破坏了整个生态系统，”普渡大学生物化学副教授詹妮弗·维斯卡弗说。

像许多其他单细胞生物一样，像所有动物、植物和真菌一样，原核生物是真核生物。它们的细胞都含有一个细胞核。但原草也被归类为原生生物，这意味着它们既不是动物，也不是植物，也不是真菌。和植物一样，樱草也有叶绿体来利用太阳的能量，这使它们成为藻类。

1980年，这种生物首次在佩科斯河开花。Wisecaver说:“从那以后，樱草在德克萨斯州的情况越来越糟，它的花朵已经蔓延到附近的州。”樱草还没有在印第安纳州的水域肆虐，但它已经出现在内布拉斯加州、爱荷华州和西弗吉尼亚州等北部州。

“它们不能完全在淡水中生长。他们会死的，”Wisecaver说。“但它们对低盐水平具有极强的耐受性，可以在盐度仅为典型海水1%的水中生存。”

是什么让这种生物入侵淡水系统，这是Wisecaver实验室试图回答的问题之一。去年，Prymnesium首次在含盐量很低的德国奥得河(Oder River)开花。

“priymnesium是一个难题，”Wisecaver说。“它似乎在该物种的次优条件下开花。它在盐度极低和营养不丰富的情况下繁殖。”

目前对有毒藻华何时发生的预测主要基于诸如营养、盐度和温度等水条件。但生物因素也可能是一个很大的问题。

“不同的樱草菌株可以产生不同类型的毒素。有些菌株毒性很强，而另一些则毒性较弱。如果我们不考虑这些生物差异，这将影响我们预测何时最可能发生水华以及它们对环境的影响的能力。但在我们研究导致这些差异的基因之前，我们首先需要对这些生物体的基因组进行测序，”Wisecaver说。她和来自普渡大学、宾夕法尼亚州立大学哈里斯堡分校、加州大学圣地亚哥分校和佛罗里达国际大学的八名合著者最近在《当代生物学》杂志上发表了他们的研究结果。

起初，Wisecaver认为她的研究小组可以对小樱草的一个基因组进行测序，作为参考。“樱草的基因组很大，与许多植物或动物的基因组一样大，”Wisecaver说。

“通常情况下，对单一物种的多个基因组进行测序是不切实际的。相反，我们计划将毒性不同的菌株的遗传组成与一个参考基因组进行比较。然而，我们很快发现要测序的不仅仅是一个基因组。我们需要对许多基因组进行测序，以掌握存在的多样性，”她说。

在显微镜下观察时，所有的樱草标本看起来都很相似。然而，在这项新研究中，单细胞Prymnesium菌株的基因组包含1.15亿到3.6亿个DNA碱基对。

“这是一个令人难以置信的基因组大小变化。太多了，不能被认为是一个单一的物种，”Wisecaver说。“事实证明，樱草的花朵并不只是一个大的种群。它们是多个种群，多个不同的物种。”

要弄清楚被分析的基因组中有一个是杂交的，被证明是另一个挑战。“把一个基因组放在一起就像把一个大而复杂的拼图放在一起，”Wisecaver说。“但想象一下，我们有两个混合在一起的拼图。我们以为我们在解决一个谜题，但实际上我们在解决两个。这需要额外的分析才能弄清楚。”

加州大学圣地亚哥分校国立卫生研究院国家研究服务奖博士后Timothy Fallon说:“尽管藻类很重要，但这项工作只是藻类杂交基因组描述的第二个例子。”“它揭示了整个进化模式，因为工具和如何使用它们的路线图还没有得到很好的考虑。现在有了这些工具，通过这项工作，有了使用这些工具研究杂交的新路线图。”

法伦希望更多的藻类或原生生物研究人员能在他们研究的生物体中发现杂交案例。“这些杂交可能是他们正在研究的进化适应背后的关键，”他说。

这项新研究显示了根据单细胞真核生物的物理形态和结构进行分类的缺点。“这对于Prymnesium来说是不够的，我希望其他原生游戏也是如此。我们可能低估了这些群体的多样性，”Wisecaver说。

这项研究是由国家环境健康科学研究所和国家科学基金会资助的。普渡大学罗森高级计算中心和普渡大学宾德利生物科学中心的流式细胞术和细胞分离设备为部分工作提供了资源。

研究的共同作者还包括普渡大学校友罗伯特·奥伯(22届博士)、奥利维亚·里德林(22届学士)和博士后科学家阿曼达·彭德尔顿。

文章标题

Extreme genome diversity and cryptic speciation in a harmful algal-bloom-forming eukaryote