Diatomeeën zijn een veelvoorkomend type fotosynthetisch micro-organisme, gevonden in veel omgevingen, van zee tot bodem; in de oceanen, ze zijn verantwoordelijk voor meer dan een derde van de wereldwijde koolstof die in de oceaan wordt vastgelegd tijdens fotosynthese. Dit leidt ertoe dat een aanzienlijke hoeveelheid gesekwestreerde koolstof in de sedimenten op de bodem van de oceaan terechtkomt. In zowel zoetwater- als mariene ecosystemen, de basis van het voedselweb bestaat uit een diverse gemeenschap van fytoplankton, waaronder diatomeeën die in een breed temperatuurbereik kunnen gedijen. In de Zuidelijke of Antarctische Oceaan, grote populaties van een bepaalde diatomee, Fragilariopsis cylindrus , domineren de fytoplanktongemeenschappen.

Voor meer informatie over hoe F. cilindrus aangepast aan de extreem koude omgeving, een team onder leiding van wetenschappers van de University of East Anglia (UEA) in Norwich, Engeland voerde een vergelijkende genomische analyse uit met drie diatomeeën door gebruik te maken van expertise van het Amerikaanse Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), die alle sequencing en annotaties heeft uitgevoerd. De resultaten, online gemeld 16 januari 2017 in het journaal Natuur , gaf inzicht in de genoomstructuur en evolutie van F. cilindrus , evenals de rol van deze diatomee in de Zuidelijke Oceaan. Van bijzonder belang was dat F. cilindrus , die diploïde is (het heeft twee exemplaren van elk chromosoom, dus twee versies van elk gen) kunnen selectief de variant tot expressie brengen die het meest geschikt is om het te helpen omgaan met zijn omgeving. Dit zorgt voor extra genoom-gewortelde veerkracht voor het organisme als zijn omgeving verandert.

"Veel soorten, waaronder fytoplankton, zijn endemisch in de Zuidelijke Oceaan, " zei Thomas Mock van UEA, die de studie leidde. "Ze zijn in de loop van miljoenen jaren geëvolueerd om met deze extreme en zeer variabele omgeving om te kunnen gaan. Hoe ze dat deden is grotendeels onbekend. Onze gegevens bieden dus de eerste inzichten in hoe deze sleutelorganismen ten grondslag liggen aan een van de grootste en unieke mariene ecosystemen op De aarde is geëvolueerd."

Om te gedijen in de Zuidelijke Oceaan, F. cilindrus moet reageren op een breed scala aan omstandigheden, waaronder duisternis, vries- en dooitemperaturen, en verschillende niveaus van koolstofdioxide en ijzer. Bijvoorbeeld, zoals veel fytoplankton, F. cilindrus komt in de winter vast te zitten met het zee-ijs en komt vrij in de zomer wanneer het meeste zee-ijs smelt.

Het genoom van 60 miljoen basenparen (Megabase of Mb) van F. cilindrus werd gesequenced als onderdeel van de DOE JGI's 2007 Community Science Program-portfolio. De eerste versie van de genoomassemblage was in 2010 beschikbaar. het analyseren van het genoom vergde nog zes jaar en meerdere groepen, inclusief genomicisten en populatiegenetici. Voor de vergelijkende analyse, het genoom ervan werd vergeleken met dat van de diatomeeën, Thalassiosira pseudonanana en Phaeodactylum tricornutum, beide gevonden in gematigde oceanen met hogere concentraties opgelost ijzer. Deze diatomeeëngenomen werden eerder gerapporteerd door de DOE JGI.

Uit de analyse bleek dat bijna een kwart van de F. cilindrus genoom bevatte sterk uiteenlopende allelen, kopieën van dezelfde genen gevonden in de andere diatomeeën, maar die waren uiteengevallen door opeenhoping van mutaties. Het team ontdekte dat deze allelische divergentie lijkt samen te vallen met de laatste ijstijd, die begon zo'n 110, 000 jaar geleden. "Het was opmerkelijk om te ontdekken dat verschillende allelen van dezelfde genen divergeren en evolueren om te reageren op verschillende omgevingsfactoren, " zei Igor Grigoriev, DOE JGI Fungal Genomics hoofd en senior studie auteur.

Mock merkte op dat het team ook veel genen "uniek" vond om F. cilindrus , zoals ijsbindende eiwitten en rodopsine. Hij voegde eraan toe dat ze veel eiwitten met zinkdomeinen hebben waargenomen, vanwege de hoge concentratie van zink in de Zuidelijke Oceaan, die in geen enkel ander fytoplanktongenoom waren gevonden. De familie van zinkbindende eiwitten lijkt de afgelopen 30 miljoen jaar te zijn uitgebreid.

"De ontdekking dat de F. cilindrus populatie onderhoudt en ondersteunt uitgebreide variatie om het aanpassingsvermogen van de bevolking onder barre omgevingsomstandigheden te bieden heeft brede implicaties voor ons begrip van natuurlijke populaties aan veranderende omgevingscondities, " zei Jeremy Schmutz, hoofd van het DOE JGI's Plant Program en een co-auteur van het onderzoek. "Op individueel genotypeniveau, de waargenomen omschakeling van expressie van de ene haplotype-kopie van het gen naar de andere haplotype-kopie onder veranderende omstandigheden toont de complexiteit van overlevingsmechanismen die in de natuur aanwezig zijn voor het vertalen van beschikbare genomische variatie en inhoud naar omgevingsrespons. Voor de meeste diploïde eukaryote organismen geldt we hebben de afzonderlijke haplotypes als grotendeels overbodig beschouwd, en een enkele haplotype-referentie gegenereerd, maar het lijkt in het geval van F. cilindrus de grote variatie in de twee haplotypes is van vitaal belang voor het overleven en de aanpassing van de soort en kan variaties in de regelgevende inhoud bevatten. Dit zal waarschijnlijk de manier veranderen waarop de genomische technieken en testen door de gemeenschap worden toegepast op in de oceaan levende eukaryote soorten."