Le diatomee sono un tipo comune di microrganismo fotosintetico, trovato in molti ambienti da marino a suolo; negli oceani, sono responsabili di oltre un terzo del carbonio oceanico globale catturato durante la fotosintesi. Ciò porta a una quantità significativa di carbonio sequestrato che finisce nei sedimenti sul fondo dell'oceano. Sia negli ecosistemi di acqua dolce che in quelli marini, la base della rete alimentare è costituita da una comunità diversificata di fitoplancton che include diatomee che possono prosperare in un'ampia gamma di temperature. Nell'Oceano Meridionale o Antartico, grandi popolazioni di una particolare diatomea, Fragillariopsis cylindrus , dominano le comunità di fitoplancton.

Per saperne di più su come F. cilindro adattato al suo ambiente estremamente freddo, un team guidato da scienziati dell'Università dell'East Anglia (UEA) a Norwich, L'Inghilterra ha condotto un'analisi genomica comparativa che coinvolge tre diatomee sfruttando le competenze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti Joint Genome Institute (DOE JGI), che ha condotto tutte le sequenze e le annotazioni. I risultati, segnalato online il 16 gennaio 2017 sulla rivista Natura , fornito approfondimenti sulla struttura del genoma e l'evoluzione di F. cilindro , così come il ruolo di questa diatomea nell'Oceano Antartico. Di particolare interesse era che F. cilindro , che è diploide (ha due copie di ogni cromosoma, quindi due versioni di ciascun gene) possono esprimere selettivamente la variante più adatta ad aiutarlo ad affrontare il suo ambiente. Ciò fornisce all'organismo un'ulteriore resilienza radicata nel genoma quando il suo ambiente cambia.

"Molte specie, compreso il fitoplancton, sono endemiche dell'Oceano Antartico, " ha detto Thomas Mock di UEA, che ha condotto lo studio. "Si sono evoluti nel corso di milioni di anni per essere in grado di far fronte a questo ambiente estremo e molto variabile. Il modo in cui lo hanno fatto è in gran parte sconosciuto. Pertanto i nostri dati forniscono le prime informazioni su come questi organismi chiave sono alla base di uno dei più grandi e unici ecosistemi marini su La Terra si è evoluta".

Per prosperare nell'Oceano Meridionale, F. cilindro deve essere sensibile a un'ampia varietà di condizioni, tra cui l'oscurità, temperature di congelamento e scongelamento, e diversi livelli di anidride carbonica e ferro. Per esempio, come molti fitoplancton, F. cilindro rimane intrappolato con il ghiaccio marino in inverno e viene rilasciato in estate quando la maggior parte del ghiaccio marino si scioglie.

Il genoma di 60 milioni di coppie di basi (Megabase o Mb) di F. cilindro è stato sequenziato come parte del portfolio del programma scientifico comunitario 2007 del DOE JGI. La versione iniziale dell'assemblaggio del genoma era disponibile entro il 2010, l'analisi del genoma ha richiesto altri sei anni e più gruppi, compresi genomici e genetisti di popolazione. Per l'analisi comparativa, il suo genoma è stato confrontato con quello delle diatomee, Thalassiosira pseudonanana e Phaeodactylum tricornutum, entrambi si trovano negli oceani temperati con concentrazioni più elevate di ferro disciolto. Questi genomi di diatomee sono stati precedentemente segnalati dal DOE JGI.

L'analisi ha rivelato quasi un quarto dei F. cilindro genoma conteneva alleli altamente divergenti, copie degli stessi geni presenti nelle altre diatomee, ma che si era discostato accumulando mutazioni. Il team ha scoperto che questa divergenza allelica sembra coincidere con l'ultimo periodo glaciale, che ha iniziato circa 110, 000 anni fa. "È stato notevole scoprire che diversi alleli degli stessi geni divergono ed evolvono per rispondere a vari fattori ambientali, " disse Igor Grigoriev, DOE JGI Fungal Genomics capo e autore senior dello studio.

Mock ha notato che il team ha anche trovato molti geni "unici" per F. cilindro , come le proteine ​​che legano il ghiaccio e la rodopsina. Ha aggiunto di aver osservato molte proteine ​​con domini di zinco, a causa dell'elevata concentrazione di zinco nell'Oceano Antartico, che non era stato trovato in nessun altro genoma di fitoplancton. La famiglia delle proteine ​​leganti lo zinco sembra essersi espansa negli ultimi 30 milioni di anni.

"Trovare che il F. cilindro la popolazione mantiene e supporta un'ampia variazione al fine di fornire la capacità di adattamento della popolazione in condizioni ambientali difficili ha ampie implicazioni per la nostra comprensione delle popolazioni naturali alle mutevoli condizioni ambientali, " ha detto Jeremy Schmutz, capo del programma Plant del DOE JGI e coautore dello studio. "A livello di genotipo individuale, il passaggio osservato dell'espressione da una copia aplotipica del gene all'altra copia aplotipica in condizioni mutevoli dimostra la complessità dei meccanismi di sopravvivenza presenti in natura per tradurre la variazione genomica disponibile e il contenuto alla risposta ambientale. Per la maggior parte degli organismi eucarioti diploidi, abbiamo considerato gli aplotipi separati come ampiamente ridondanti, e ha generato un singolo riferimento aplotipo, ma appare nel caso di F. cilindro la maggiore variazione nei due aplotipi è vitale per la sopravvivenza e l'adattamento della specie e può contenere variazioni nel contenuto normativo. Questo probabilmente cambierà il modo in cui le tecniche e i saggi genomici vengono applicati dalla comunità alle specie eucariotiche che vivono nell'oceano".