原綠球藻(Prochlorococcus)是分布在全球熱帶和亞熱帶海域的藍細菌，也是目前發現的海洋中含量最豐富的光合生物。雖然只具有極小的細胞體積(直徑約0.6 um)和基因組(可以小到～1.6Mbp)，但原綠球藻細胞數量的龐大以及高效的光合作用，使得其對于全球生物圈初級產物的生產和碳循環具有極其重要的地位。另一方面，目前已有十多種原綠球藻生態亞種的基因組被發布，亞種之間基因組丟失的現象很早就被人們發現并探討過。但是，在這種基因得失劇烈的背景下，仍然有約1250個蛋白編碼基因為目前測序的原綠球藻所共有，其構成了原綠球藻的核心基因組(Core genome)。探索穩定藍細菌核心基因組的力量，不僅是進化生物學的重要命題，同時對于更深入地理解最小基因組的內涵和外延，乃至運用簡約基因組的概念指導光合系統合成細胞的開發，都具有重要意義。
中國科學院天津工業生物技術研究所田朝光研究組以原綠球藻的典型代表——MED4為例，利用第二代測序技術(RNA-Seq)，全面解析了原綠球藻MED4的操縱子圖譜，轉錄本非翻譯區以及新基因。基于全基因組的表達數據，發現基因表達水平(RPKM)與分子進化速率(Ka)之間存在顯著的負相關關系(N=1275，Spearman’s r=-0.68，P < 0.001;如圖1)。通過進一步比較MED4核心基因和非核心基因在基因必要性和基因表達水平上的差異，發現兩者能相對獨立地影響分子進化速率;即基因表達水平越高，基因越重要，進化越慢。由于核心基因組比非核心基因組(Flexible genome)擁有更高的表達水平 (圖2)和不可丟失性，所以核心基因組在原綠球藻數億甚至幾十億年的進化中得以保留下來。此外，高表達的mRNA更加快速的降解，能提高核心基因組蛋白翻譯的魯棒性(Robustness)，進而減少細胞毒性和能量浪費。
該研究得到國家“973”計劃等資助。相關研究成果發表在BMC Microbiology 期刊上，中科院碩士研究生王邦為論文第一作者。
圖1 基因表達水平與非同義突變之間的負相關關系
圖2 核心基因組與非核心基因組各表達水平基因所占比例
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