海草是全球最具生物多样性但又最脆弱的沿海海洋生态系统之一的基础。大约1亿年前，它们从它们的淡水祖先中分三个独立的谱系出现，是唯一完全淹没的海洋开花植物。
迁移到这样一个完全不同的环境是一件罕见的进化事件，绝对不容易。海草是怎么做到的?新的参考质量基因组为其保护和生物技术应用提供了重要线索。
由比利时根特大学Yves Van de Peer教授、荷兰格罗宁根大学Jeanine Olsen教授、德国基尔GEOMAR Helmholtz海洋研究中心Thorsten Reusch教授、意大利那不勒斯Stazione zoanton Dohrn博士和美国加州伯克利联合基因组研究所协调的38名国际研究人员小组，对三种最重要的海草物种——地中海特有的海草(Posidonia oceanica)、广泛分布的小海草(Cymodocea nodosa)和加勒比海特有的海龟草(Thalassia testudinum)——的基因组进行了测序和分析。
研究人员首先检查了基因组结构，然后比较了海草和它们相关的淡水亲戚之间与结构和生理适应相关的基因家族和途径。他们的研究结果发表在《自然植物》杂志上，题为“海草基因组揭示了古代多倍体和对海洋环境的适应”。
以海草为基础的生态系统提供多种功能和服务——例如，作为防止侵蚀的保护，保护沿海海景;作为相关动物和藻类的生物多样性热点;由于其地下生物量的碳储存能力，作为一种基于自然的气候缓解解决方案。保护和恢复都是深入研究的领域，因为由于气候变暖和其他人类影响，海草和珊瑚礁正在消失。
俗话说:“人多聪明，事半功倍。”首先，研究联盟对基因组本身的结构进行了深入的进化研究，然后对它们的2万多个基因和相关途径进行了比较分析，这些基因和途径已经进化成特定的海洋适应性。
接下来，23个合作研究团队分别专注于不同的互补结构或功能基因集，包括它们的生理功能。一个关键的问题是，基因组适应是并行产生的，还是独立产生的，甚至可能涉及不同的基因组。
奥尔森博士指出:“海草经历了一套极其罕见的适应过程。在开花植物的进化史上，重新适应淡水环境发生了200多次，涉及数百个谱系和数千个物种，而海草从淡水祖先进化而来只有3次，涉及84个物种。
“要做到这一点，需要专门的生态耐受性，例如，高盐度、低光照、广泛的耐温性、光合作用的水下碳捕获、不同的病原体防御、结构灵活性和水下授粉。”
一个主要的结果是，海草能够通过基因组复制启动激进的适应，这通常与严重的环境压力有关。
“比较三个独立的海草谱系，包括淡水姐妹谱系，揭示了大约8600万年前共享的古代全基因组三倍。这是非常令人兴奋的，因为当时海洋的大部分地区是无氧的，这也是涉及三个谱系的联合事件，”Van De Peer教授说。
此外，研究人员发现，一些基因家族的保留和扩展仍然可以追溯到这些早期复制事件的保留的synsynblock，例如类黄酮提供对紫外线辐射和真菌的保护，同时刺激固氮细菌的招募;应对缺氧沉积物的扩展半胱氨酸氧化酶和与生物钟相关的基因。
结果还表明，“跳跃基因”——转座因子——在创造新的遗传变异以供选择的过程中发挥了重要作用。这尤其适用于大基因组的海棠(Thalassia testudinum)和大洋Posidonia oceanica。
研究小组还发现，一些适应是趋同的结果。这主要适用于那些在水下、高盐的海洋环境中变得多余或有害的特征。气孔(叶片表面提供气体与大气交换的小孔)基因的丧失，挥发物基因的丧失，以及抵御病原体和忍受海洋热浪(尤其是热休克因素)的信号的丧失，都是“要么利用它，要么失去它”的令人信服的例子。
Procaccini博士解释说:“很明显，支持途径的微调发挥了主导作用，而不是基因承担了主要的新功能。耐盐性是一个很好的例子，其中多个过程的效率更高，以调节钠、氯和钾。进化变化也为不同物种提供了承受不同环境的能力。”
Reusch教授总结道:“大多数生态学上重要的功能都是复杂的特征，涉及许多基因通过灵活的途径相互作用。现在有了针对关键海草的基因组工具，我们可以开始对它们进行实验测试和操作。这对于气候变化情景下的恢复尤其重要，包括这里讨论的许多条件。”
新的基因组资源将加速实验和功能研究，特别是与海草生态系统的变革性管理和恢复相关的研究。它们是研究界的强大资源。
