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棕色藻類（Phaeophyceae）是復雜多細胞生物，在約4.5億年前從光合不等鞭毛生物（photosynthetic stramenopiles）演化而來。它們憑借堅韌靈活的細胞壁、獨特的代謝途徑和多樣化的生活史，成為海岸生態系統中的關鍵組成部分。細胞壁和代謝途徑賦予了棕色藻類抗環境壓力和掠食的能力，而世代交替的生活史則增強了它的適應性和生態穩定性。這些特性讓它不僅支持物質循環和碳固定，還通過構建海藻森林為海洋生物提供棲息地，維持生態系統的功能與穩定。然而，由于氣候變化，近年來海藻種群數量顯著下降。研究其基因組演化和生物學特征可以幫助保護這一棕色藻類生態系統。

近日，索邦大學（Sorbonne Université）的J. Mark Cock等聯合在Cell上發表了文章Evolutionary genomics of the emergence of brown algae as key components of coastal ecosystems，探索了棕色藻類基因組的演化歷史，重點分析基因家族擴增、水平基因轉移（HGT）、病毒基因整合及其對形態和生態適應的影響。

圖1：本項目測序的關鍵物種在潮間帶中的大致位置

研究者使用長讀長測序技術（long-read technology）對17種棕色藻類進行了基因組測序，并構建了43種草圖基因組，密集覆蓋了棕色藻類譜系。這項工作大大增加了現有的棕色藻類基因組數據，為研究這一重要類群的演化、基因功能和生態適應性奠定了堅實的基礎。這些基因組數據被整合到Phaeoexplorer數據庫中，便于研究者進一步探索。

研究發現，早期棕色藻類在演化過程中經歷了基因組內容和基因結構的顯著變化。具體包括褐藻門起源時獲得的基因家族；來自細菌、真菌和其他真核生物的大量基因整合到棕色藻類基因組中（水平基因轉移（HGT））；還有內含子數量顯著增加，表明基因調控和剪接的復雜性逐漸增強。通過這些早期演化事件，獲取了多種關鍵代謝和信號傳導途徑，如細胞壁合成相關基因、鹵素代謝基因（棕色藻類獨有，具有抗菌抗氧化功能）和多酚代謝基因（抗紫外線與防御機制相關）。

中生代是棕色藻類演化的關鍵時期，這期間的基因組變化主要由復雜形態進化、生活史發展出世代交替策略和有性生殖策略變化三個方面的演化推動。而棕色藻類的多樣化與海洋森林的出現密切相關，這可能是因為細胞壁相關基因擴增，支持了棕色藻類形成大型群落（如海帶林），并且信號傳導基因擴增，提高環境感知和細胞間通訊能力，幫助棕色藻類在動態的海洋環境中維持生態優勢。

研究還發現棕色藻類基因組中廣泛存在病毒插入序列，尤其是Phaeovirus家族的基因組整合。病毒基因可能通過提供新功能或改變基因組結構，推動宿主基因組的創新。

總之，研究從基因組特征的整體分析切入，通過揭示基因家族擴增和HGT事件，聯系病毒整合對基因創新的作用，最終將基因組變化與棕色藻類的生態適應性結合，形成該物種清晰的演化路徑。研究闡明了棕色藻類基因組在多細胞復雜性和生態適應性方面的演化模式。未來研究可以進一步解析病毒基因整合對其他海洋生物的潛在影響，并探討這些基因的功能及其在氣候變化中的適應性。