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有害藻类繁殖如何变得有毒的遗传基础

科学家们已经发现了软骨藻酸的生成的遗传基础,软骨藻酸是一种由某些有害藻类大量繁殖产生的强效神经毒素。

在本周出版的“科学”杂志上发表的一项新研究中,研究人员发现了一系列与微观植物中的软骨藻酸生成有关的基因,即浮游植物,称为假硝酸盐(Pseudo-nitzschia)。

研究人员的工作由美国国家科学基金会(NSF)资助,研究人员发现这些基因包含了制造毒素的生物学方向;当假硝酸盐产生软骨藻酸时,这些基因被“开启”。

“通过鉴定编码软骨藻酸产生的基因,我们现在能够提出有关海洋状况如何打开或关闭这些基因的问题,”该研究的第一作者Patrick Brunson说。Brunson隶属于Scripps海洋学研究所(SIO)和J. Craig Venter研究所。“这些知识将使我们能够在遗传水平上追踪花期毒性的发展。”

通过展示如何开启软骨藻酸生产的基因,作者提出了一种方法,将驱动藻类繁殖的海洋条件与毒素生产的发展联系起来。

美国国家科学基金会海洋科学部的项目主任Hedy Edmonds说:“了解藻类如何开花变得有毒,以及导致这种情况的原因是至关重要的。”“这项研究提供了一种可能的工具,用于监测藻类繁殖并在毒素发生之前预测毒素的产生。”

有害的藻类大量繁殖通常以“红潮”的形式出现,因为它们向海水提供了微红色调。当浮游植物迅速生长时,就会出现大量繁殖,有时会产生可以使海洋哺乳动物和其他物种受到伤害的毒素。

当毒素在海鲜中积累时,有害的藻类大量繁殖也对人类健康构成威胁。高剂量暴露于软骨藻酸会导致遗忘贝类中毒,这是一种以癫痫发作和短期记忆丧失为特征的潜在致命疾病。

有几个州受到有害藻类大量繁殖的严重影响。2015年夏天,从阿拉斯加到加利福尼亚州的北美西海岸发生了有史以来最大的有害藻类爆发,导致渔业关闭,以保护消费者免受潜在的贝类中毒。

科学家们发现,很难预测有害的藻类大量繁殖。引起大量繁殖的生物通常具有非常复杂的基因组。科学家们说,了解与软骨藻酸生产相关的基因将有助于更好地监测藻类的繁殖,并有助于确定引发毒素生成的条件。

“因为藻类的基因组非常复杂,海洋微藻毒素的生物合成途径在一段时间内仍然难以捉摸,”资深作者布拉德利摩尔说,他是SIO和加州大学圣地亚哥Skaggs药学院的化学家和遗传学家和药物科学。

“现在我们有了伪硝酸基因组和软骨藻酸生成的遗传途径,我们开始明白为什么这些微藻会产生毒素以及这种能力是如何被激活的,”摩尔说。“这些新知识将更好地教育我们如何预测和准备未来的有毒事件。”

这项工作推进了南加州大学的David Hutchins先前的研究,他也是该研究的合着者。

当海洋中的磷酸盐有限并且二氧化碳的量增加时,假硝酸盐会产生大量的软骨藻酸并变得有害。

海洋中的二氧化碳增加到自然水平以上。随着海洋温度的升高,这些条件导致更普遍,更有毒,更持久的花朵和软骨藻酸生产。

致力于监测和预测有害藻类大量繁殖的研究人员表示,这些研究结果提供了对这一现象的更多了解,并有助于预测应对气候变化的软骨藻酸事件。

美国国立卫生研究院,戈登和贝蒂摩尔基金会以及美国能源部也资助了这项研究。

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