褐藻中发现的复杂多细胞沙漏模型

德国马克斯·普朗克生物研究所的研究人员在褐藻中发现了一种被称为沙漏模型的保守发育模式，这进一步证明该现象可能是复杂多细胞生物的普遍特征。

复杂的多细胞生物在各种真核生物谱系中独立进化，包括动物、植物、真菌和藻类。从一种到多种的进化飞跃需要生物体采用复杂的发育过程来协调所有新特化细胞组织的细胞分化。

根据胚胎发育的沙漏模型，早期和晚期发育阶段表现出形态和分子多样性，而中期胚胎阶段在物种间保持高度保守。在保守阶段，是建立生物体基本身体结构的关键步骤。

在《自然》杂志发表的一项题为《棕藻中的转录组沙漏》的研究中，研究小组调查了在动物、植物和真菌中观察到的沙漏图案是否也存在于棕藻中。大约 4.5 亿年前，这一群体独立于其他群体进化出多细胞性。

研究人员之所以选择褐藻类海藻，是因为其起源独立，而且种类繁多。褐藻是许多沿海地区的主要生物形式，是地球上形态复杂程度第三高的谱系，在细胞大小、组织类型和发育复杂性方面可与植物媲美。

分析包括形态复杂程度各异的几种褐藻，包括锯缘墨角藻、二尖藻和水生墨角藻，以及海带物种掌状海带和海藻根。研究人员使用 RNA 测序来检查不同发育阶段的基因表达。

形态更复杂的褐藻，如锯缘墨角藻和双尖墨角藻，在胚胎发生过程中具有明显的沙漏模式。该模式的特点是基因表达在早期和晚期阶段发生显著变化，而在中期则处于高度保守的阶段。

转录组年龄指数是一种估算发育过程中表达的基因进化年龄的方法，用于量化所研究物种整个生命周期中基因表达模式的保守性和发散性。在发育的早期和晚期阶段，观察到基因表达的多样性更大。这些阶段表现出更高的转录组发散性，表达了更多最近进化的基因。

在胚胎中期，褐藻表达了更多进化上更古老的基因。研究发现，这一阶段在不同物种之间高度保守。

形态较为简单的褐藻，如 Ectocarpus 和 Laminaria digitata 和 Saccorhiza polyschides 的配子体，并不表现出这种沙漏形的基因表达模式。相反，它们的发育过程涉及从单细胞阶段到多细胞阶段的平稳过渡，没有明显的阶段，这限制了它们产生更多分化细胞类型的能力。

将沙漏模型扩展到褐藻拓宽了我们对发育框架的理解，并进一步说明了它对于在真核生物中形成复杂的多细胞性是多么基本的过程。