守護原綠球藻，他成了“打報告最多”的博士生

原綠球藻傳代實驗     廈門大學供圖

在平板上生長的原綠球藻    廈門大學供圖

陳卓宇在做實驗     廈門大學供圖

2月下旬，學生們都在感嘆“假期余額不足”。然而，廈門大學海洋與地球學院博士生陳卓宇已經按奈不住，早早收拾好行囊，在大年初六就踏上了返校的旅程。往年，他的春節幾乎都在實驗室度過，因為他心里始終牽掛著陪伴自己四年的“戰友”——原綠球藻。

“原綠球藻非常難養，甚至早期學界都認為它‘不可培養’，經過多年的摸索，如今全世界也只有屈指可數的實驗室能把它成功養活，固體培養更是難上加難。”陳卓宇告訴《中國科學報》，正因如此，他要做好原綠球藻的守護工作。

近日，他所在團隊的相關研究以“原綠球藻突變速率低且有效種群規模小”為題在《自然·生態與進化》上刊發。該研究通過連續3年的大規模單克隆連續傳代，首次開展了原綠球藻的基因突變累積實驗，揭示了原綠球藻突變速率低、有效種群規模小的特征，顛覆了“原綠球藻的進化由自然選擇主導”的傳統認知，證明了遺傳漂變在原綠球藻的進化和生態適應中的重要作用。

當“生態學”遇上“進化”

早在幾億年前，原綠球藻就生活在地球上，它的“祖先”更是早在約25億年前就開始進化，并在許多方面改變了地球。它們吸收并利用陽光中的能量，從水中分離出氧和氫，氧氣便開始在大氣中積累，給原本“缺氧”的地球帶來了繁榮的“大氧化”時代，為后續生物進化的高速發展提供了重要條件。

而今，作為海洋里最重要的初級生產者，原綠球藻通過光合作用每年固定約40億噸碳，是海洋碳匯的重要貢獻者。

然而，如此重要的生物卻因為太小，直到最近30多年前才被人類發現。

陳卓宇的導師、廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室教授張瑤介紹道，其實1毫升的大洋海水里，就有多達10萬個原綠球藻。但因為它實在是太小了，從前落后的設備和技術無法觀測到，人們才這么晚認識到它。

早在廈大讀博期間，張瑤就在中國科學院院士焦念志的帶領下，邁入了“海洋微生物生態”研究領域的大門。畢業后留校任教后，原綠球藻是她的主要研究對象之一。她知道，作為地球演化過程中極其重要的生物以及當今海洋里最重要的初級生產者，原綠球藻具有無可替代的進化和生態學意義。

五年前，張瑤與香港中文大學教授羅海偉交談時，迅速達成合作意向。“我是做生態的，他是做進化的，我們當時聊完就覺得，如果能一起把海洋里如此重要的生物（原綠球藻）從進化生態學的角度做清楚，一定能做出相當重要的貢獻。”

于是研究正式啟動，當時剛剛從廈大本科畢業并留校讀博的陳卓宇便作為主力，開啟了長達四年的實驗。

此次發表的論文，陳卓宇和香港中文大學博士王曉君為共同第一作者，張瑤和羅海偉為共同通訊作者。

“報告打得最多的人”

培養原綠球藻看似簡單的第一步，卻成為了陳卓宇面臨的首道難題。

原綠球藻難培養，固體培養更是難上加難。培養基所使用的海水、固體培養基的瓊脂糖濃度、培養時設置的光照強度和溫度……這些因素的細微變動都可能對原綠球藻的生長產生巨大影響。

是它個頭兒太小了，從前落后的設備和技術無法觀測到，人們才這么晚認識到它。

在一次次嘗試中，陳卓宇不斷調試實驗參數，并在香港科技大學教授曾慶璐的聯合指導下，最終成功克服了原綠球藻難以在實驗室培養的困難，摸索出了一套穩定的單克隆培養方案。

但很快，他又面臨著下一道難題——長時間地連續傳代。該研究的時長取決于原綠球藻在傳代中基因突變的數量，只有累積到一定的數量，才能進行有效的統計分析。然而，原綠球藻生長周期較長，而他們在實驗中又發現，原綠球藻基因突變的速率很慢，這在顛覆了學界認知的同時，也使得實驗的時長跨越了四年之久。

四年里，陳卓宇成為了學院里“報告打得最多的人”。受疫情影響，在校園和實驗室短期嚴管人員流動時，陳卓宇一次次提出返校、進入實驗室的申請，張瑤則一次次地幫他簽字、提交申請。

累積培養1065天，連續傳代39次，最終存活141個細胞系……實驗就在這一次次的“申請報告”中順利完成了。

“科學是在不斷修正中發展的”

原綠球藻數量龐大、分布廣泛。而“遺傳漂變”是種群基因庫在代際發生隨機改變的一種過程，通常在小群體里尤為明顯。多年來，學界一直默認原綠球藻有效種群規模很大，進而認為自然選擇在原綠球藻進化適應過程中極其有效，忽略了遺傳漂變的作用。

然而，該研究計算出原綠球藻的有效種群規模小于許多典型的海洋自由生活菌。進一步分析發現，原綠球藻雖分布廣泛，但不同的小生境被不同代謝特點的孤立種群所占據。“就像是生活在不同地區的人群，適應其所在的環境，擁有不同的特征。”陳卓宇說，但同時各種群之間彼此孤立，不發生基因交流，種群內部基因重組水平較低。

因此，研究提出了“周期性選擇”的原綠球藻遺傳漂變加強機制，給寡營養海域中優勢菌群常見的基因縮減現象，在傳統的“寡營養環境適應”觀點之外，提供了一種創新的觀點和理論。

該研究證明，在原綠球藻進化過程中，人們所熟知的自然選擇并不如傳統認知的那么重要，而一直被忽略的遺傳漂變發揮著關鍵作用。

“這個世界上有這么多的物種，它們并不一定都是自然選擇選出的佼佼者，有些物種它可能只是幸運地存活了下來而已。雖然大眾已經普遍理解并篤信了自然選擇的作用，但我們不能因此就忽視了遺傳漂變的作用。”張瑤說。該研究的一系列發現，打破了學界對原綠球藻進化的固有認知。

“我們獲得的實驗結果，有的符合已有的理論，有的不符合。這是因為理論并非真理，它始終處在動態發展的過程中，需要我們不斷地驗證、修正它。科學就是這樣，就是在不斷修正中發展的。”張瑤說。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41559-021-01591-0