海洋纤毛虫拟瞬膜虫的表型可塑性：基因调控与演化模型构建

Phenotypic plasticity refers to that organisms change their traits such as morphology, behavior et al. upon environmental change. This phenomenon exists in various organisms and is an important adaptation strategy. It also facilitates speciation and co-evolution between predator and prey. However, phenotypic plasticity of protozoa is rarely explored, especially its regulatory and evolutionary mechanisms. This project aims at revealing these mechanisms, using population genetics theory and –omics tools, specifically: (1) detect and confirm key genes and pathways involved in phenotypic transformation, using full-length transcriptome, Nanopore genome sequencing, and gene editing; (2) reveal the evolutionary forces governing the regulatory genes and pathways, by comparative and population genomics analysis on collected strains; (3) construct evolutionary model of phenotypic plasticity, taking advantage of measuring the interaction between genotype and environment directly. This project will fill blanks of phenotypic-plasticity regulation induced by starvation, empirically test if the phenotypic plasticity in Glauconema sp. is adaptive, and eventually reveal the role of phenotypic plasticity in evolution.

表型可塑性是指生物在环境变化时显著的改变形态、行为等性状的现象，广泛存在于各类生物中，是生物应对不同环境的重要适应性策略，并可促进物种形成以及物种间的协同演化。围绕原生动物表型可塑性的工作迄今开展甚少，特别是对其分子调控机制与演化规律的研究更几近空白。本项目以拟瞬膜虫为材料，利用群体遗传学理论和组学技术，探讨表型可塑性的分子调控机制以及演化规律，具体内容包括：（1）以全长转录组、纳米孔基因组测序以及基因编辑技术，探测与确认参与表型转换的关键基因与通路；（2）通过对不同株系比较基因组学和群体遗传学分析，阐明影响相关基因与信号通路的演化力量;（3）通过测算环境与基因型互作，推导演化模型。本研究将填补原生动物表型可塑性的调控机制研究空缺，并提供验证适应性演化的分析方法，最终揭示这种普遍生物学现象在生物演化中的功能。

表型可塑性是生物中普遍存在的现象，与物种的生存或长期演化，甚至疾病均密切相关，而原生动物相关研究则极少，其调控与演化机制几近空白。本项目聚焦海洋纤毛虫——三膜拟瞬膜虫随食物细菌密度变化的表型可塑性，进行了野外采集与分离、形态学、实验生态学、组学、分子遗传学等方向的研究，测算了生活史各时期的从体型到游泳速度的各类表型，组装注释了基于长片段测序的高质量大核基因组，之后进行了基因组共线性分析、不同生活史时期的差异基因表达、关键基因验证等。..通过上述研究，课题组建立了来自山东青岛和海南儋州的两个稳定细胞系；确认了它们的体型随食物细菌密度呈典型的幂律分布，食物密度越低，体型越窄，游泳速度越快；组装出了青岛株系约91.3Mbp的基因组，159条contigs（双端端粒的62条，单端端粒的80条），N50 1.19Mbp，GC含量24.83%，21115个基因；海南株系约98.9Mbp大小的基因组，181条contigs（双端端粒的122条，单端端粒的51条），N50 1.46Mbp，GC含量22.69%，28909个基因；进行了单拷贝同源基因的比对后，两个基因组的BUSCO评分分别为86.0%及94.1%；基于低起始量RNAseq的差异基因表达分析显示约11个生物过程的下调与觅食体的形成相关，通过RNAi验证了pgk1 (082700000136.101)和RNA binding protein (082700000279.64)等基因的表达下调，共线性还显示部分相关基因同时还存在基因家族扩张现象。..在本项目资助下，课题组解析出了多个与表型转换相关的生物学过程通路，并通过荧光定量实时PCR和RNA干扰进行了部分验证，首次从分子机理上解析了海洋纤毛虫表型可塑性的调控机制，基于近缘株系的比较基因组学则显示了该特殊的生物学现象很可能是适应性演化产物，填补了相关研究空白，研究推导出的符合幂律分布的反应法则，则可成为食物细菌密度诱导的表型可塑性的通用量化准则。