為了減緩大氣中的碳排放，研究人員轉(zhuǎn)向了碳匯——積累和儲(chǔ)存碳的儲(chǔ)藏所，如熱帶雨林，也包括各種各樣的陸生植物和海洋。然而，另一個(gè)鮮為人知、但卻非常大的碳匯位于地球的軟沙海岸線。
沿海的海草生態(tài)系統(tǒng)覆蓋了大約200000平方公里。它們約占全球碳固定的百分之15，而且還影響硫和氮循環(huán)。此外，它們作為幼魚和其他生物的溫床，保護(hù)海岸線免受侵蝕，并有助于保持水體的清澈。
第一種海洋被子植物基因組
2016年1月27日在《Nature》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，一個(gè)歐洲團(tuán)隊(duì)——包括來自美國能源部聯(lián)合基因組研究所（DOE JGI）的研究人員，測定了一種海草（大葉藻，Zostera marina）的基因組序列，樣本取自芬蘭群島海域。盡管稱為海草，但大葉藻并不是真的草類，而是完全淹沒在海洋里的開花植物（或被子植物），一個(gè)古老單子葉植物家族的成員。為了更好地適應(yīng)環(huán)境，植物返回到咸水環(huán)境中，該研究小組將大葉藻的基因組與淡水近緣植物大浮萍 (Spirodela polyrhiza)進(jìn)行了對比。浮萍的基因組測序和分析是由DOE JGI完成的。
在北半球被發(fā)現(xiàn)，大葉藻是第一種被完全測序的海洋開花植物，這項(xiàng)工作是通過DOE JGI的科學(xué)項(xiàng)目完成的。作為沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性物種，研究人員非常想了解這一植物——引申開來在生態(tài)系統(tǒng)中的其他植物，是如何適應(yīng)氣候變化的。
在適應(yīng)水下生活的過程中，大葉藻獲得了一些基因，可允許它生活在咸水中，但卻失去了一些與陸地植物性狀相關(guān)的基因。該小組很想確定“在大葉藻返回大海后經(jīng)歷重大修改的途徑”。
本研究首席作者、荷蘭格羅寧根大學(xué)的Jeanine Olsen稱之為“一個(gè)陸地（甚至淡水）物種可能經(jīng)受的最極端的適應(yīng)。她解釋說，大葉藻已修改了其細(xì)胞壁——這是更獨(dú)特的海藻樣特征。并修改了與光傳感、植物防御信號(hào)、傳粉系統(tǒng)和內(nèi)部水平衡調(diào)節(jié)相關(guān)的基因。大葉藻失去了紫外線保護(hù)和各種揮發(fā)物（包括萜類，有很多應(yīng)用的烴類，可作為先進(jìn)燃料的另一替代源）生產(chǎn)相關(guān)的基因。
淡水和咸水植物基因組的比較
該研究小組比較了大葉藻和浮萍的基因組，浮萍是最簡單的一種開花植物，是已經(jīng)測序的、與Zostera marina親緣關(guān)系最近的植物。他們注意到，由于對淡水或陸地條件的適應(yīng)，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因有所差異。例如，浮萍之類的植物似乎失去了幫助植物將水保存在細(xì)胞壁中的基因，而大葉藻則重新獲得了這些基因，以更好地應(yīng)對退潮時(shí)的滲透脅迫。
Olsen這樣描述影響大葉藻的變化：“它們已經(jīng)重新改造了自己?！彪m然多年來，這已知是生化變化，但是，產(chǎn)生這些硫酸多糖用于細(xì)胞壁基質(zhì)的根本途徑，與低甲基化果膠（大葉藻素）的擴(kuò)張相結(jié)合，已被科學(xué)家們闡明，并且它們帶有強(qiáng)大負(fù)電荷的本質(zhì)，被認(rèn)為有助于保護(hù)細(xì)胞免于滲透脅迫。作物育種家可能會(huì)受益于‘這些植物如何進(jìn)化出了耐鹽性’的見解。”
隨著大葉藻草甸從阿拉斯加延伸至加利福尼亞，從白海到葡萄牙南部，Olsen指出，這些生態(tài)系統(tǒng)給研究人員提供了“一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)”，來研究植物對溫暖或寒冷水域、以及耐鹽、海洋酸化和光的快速適應(yīng)。
了解關(guān)于生態(tài)-進(jìn)化相互作用的更多信息，也與基因組學(xué)為基礎(chǔ)的早期預(yù)警指標(biāo)的發(fā)展有關(guān)，可能預(yù)示著海草生態(tài)系統(tǒng)崩潰。DOE JGI植物項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jeremy Schmutz強(qiáng)調(diào)，雖然大葉藻是沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)功能中的關(guān)鍵角色，并被認(rèn)為是“海洋的肺”，它們也瀕臨著滅絕。他說：“據(jù)估計(jì)，全世界有近三分之一的大葉藻草甸被徑流破壞進(jìn)入海洋，從而降低了它們作為碳匯的潛在能力。因此，研究大葉藻的適應(yīng)能力，是協(xié)助保護(hù)工作刻不容緩的事情。”
