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二零一七年七月十九日

中大學者從超微型海洋細菌追溯地球演化歷史



香港中文大學(中大)生命科學學院羅海偉教授及其研究團隊,對原綠球藻(Prochlorococcus)等幾類超微型海洋細菌以超級電腦進行基因組分析,發現它們在早期的進化過程中曾在短時間內丟失了大量DNA分子,並很可能是由於地球當時發生了突變(例如氣候急劇變化),使原綠球藻減緩甚至停止生長。海洋微生物學家普遍認為超微型海洋細菌的演化是達爾文生物進化論的重要證據,羅教授的發現推翻了此說。研究成果已刊登在最新一期的《自然微生物學》(Nature Microbiology)。此項研究涉及跨學科知識,包括微生物學、進化生物學、海洋科學及電腦科學。 

一滴海水蘊藏著數以百萬個細菌,它們大部分只有0.5微米左右大小,被稱為超微型浮游細菌。它們不但沒有危害人類和大型海洋生物的健康,更是維持地球元素循環平衡和調節氣候變化的重要幕後功臣。地球上(包括海洋和陸地)20%的葉綠素都是由原綠球藻合成,而葉綠素是光合作用的必要物質,以產生氧氣。因此我們呼吸的氧氣,很大部分歸功於這類超微型海洋細菌。了解原綠球藻的進化史對研究海洋環境的適應機制,以至生物及地球的演化歷史,皆具有重大意義。 

自然選擇(natural selection)是達爾文提出的生物進化論之主要機制,指生物的遺傳特徵會在競爭中被保存或淘汰,以解釋生物如何適應環境。海水是一種極其稀釋的生態環境,營養極度匱乏,因此生活在海洋中的浮游細菌長期處於饑餓狀態。它們通過長期的演化,會大量丟失DNA分子以縮小細胞體積,從而增大比表面積(以單位計的總表面積)以更有效地從海水中吸收營養。因此,科學家普遍認為帶有小型基因組的超微型海洋細菌是在營養匱乏的海洋環境中自然選擇後的結果,成為達爾文生物進化論的重要證據。 

羅海偉教授聯同其博士後研究員黃詠潔博士、美國Bigelow海洋研究所Ramunas Stepanauskas教授,以及美國南卡羅來納大學唐繼軍教授利用超級計算機分析了近100個原綠球藻基因組DNA序列,通過重構它們的進化史並計算不同類型基因突變的累積速度,發現這些看似幾乎完美進化的超微型細菌,原來累積了大量有害的基因突變。研究更發現,這些有害突變發生的時間和DNA分子大量丟失的時間吻合──都發生在原綠球藻早期的進化史中。 

根據現代分子進化理論,羅教授的發現說明原綠球藻丟失大量DNA分子並非為了適應海洋環境,相反,這是一個隨機的過程。羅海偉教授表示:「這是科學界首次發現原綠球藻並非完美進化的證據。我們估計原綠球藻在早期進化時,地球發生了重大的變化,可能是氣候劇變,令原綠球藻群大規模縮小,令自然選擇機制失效而積累了有害的基因突變。目前,我與研究團隊正致力通過超級計算機重構基因組變化的年代和細節,有望與地質學家所了解的地球演化事件聯繫起來。」 

羅教授及其團隊更研發了一套基因序列分析軟件,用以測定不同類型基因突變的速率。該軟件不但能分析海洋細菌的基因序列,更可廣泛應用於其它各種環境中的微型和大型生物,現已開放予全球科學家使用。 

此研究項目獲研究資助局傑出青年學者計劃及中大直接資助計劃資助,並由中大李福善海洋科學研究中心、農業生物技術國家重點實驗室(香港中文大學夥伴實驗室),以及中大環境、能源及可持續發展研究所合力支持下完成。 

羅海偉教授簡歷 

羅海偉教授於2004年獲廈門大學環境科學學士學位,並於2010年獲美國南卡羅來納大學分子進化生物學和生物信息學博士學位,同年前往美國喬治亞大學海洋學系從事博士後研究。羅教授於2015年加盟香港中文大學生命科學學院擔任助理教授,他的主要研究興趣是結合現代生物技術(如基因組學)和超級計算技術以了解微生物在海洋中的進化和適應性。他的研究對氣候與地球變化,污染物對海洋生態系統的影響,以及海洋大型動物和植物的保育具有重要意義。從2015年起,羅教授領導的中大研究團隊已經陸續在國際頂級學術期刊上發表數篇論文,包括Nature MicrobiologyThe ISME JournalMolecular Biology and Evolution等。目前,羅教授及研究團隊正在大量採集和培養具有重要科研和應用價值的海洋微生物樣本,包括來自香港海域的各種重要的生態系統包括海水、沉積物、珊瑚、紅樹林和大型藻類等,致力貢獻於香港海洋微生物資源的搜集和海洋生態系統的保育。

中大生命科學學院助理教授羅海偉教授
中大生命科學學院助理教授羅海偉教授

羅海偉教授利用超級電腦分析原綠球藻的基因組DNA序列,重構它們的進化史。
羅海偉教授利用超級電腦分析原綠球藻的基因組DNA序列,重構它們的進化史。