Naukowcy rozszyfrowali sekwencję genomową alg Zygnema, ujawniając wiedzę na temat ewolucyjnego przejścia od roślin wodnych do lądowych. Ten przełom pogłębia naszą wiedzę na temat mechanizmów adaptacyjnych roślin i stanowi podstawę dla przyszłych badań nad odpornością środowiskową i bioenergią.
Życie roślinne pojawiło się po raz pierwszy na lądzie około 550 milionów lat temu, a międzynarodowy zespół badawczy, pod kierownictwem biologa obliczeniowego z Uniwersytetu Nebraski w Lincoln, Yanbina Yina, złamał kod genomowy jego skromnych początków, co umożliwiło powstanie wszystkich innych ziemskich form życia na Ziemi. łącznie z ludźmi.
Zespół składający się z około 50 naukowców z ośmiu krajów wygenerował pierwszą sekwencję genomową czterech szczepów alg Zygnema, najbliższych żyjących krewnych roślin lądowych. Ich odkrycia rzucają światło na zdolność roślin do dostosowywania się do środowiska i zapewniają bogatą podstawę dla przyszłych badań.
Badanie opublikowano niedawno w czasopiśmie Genetyka natury.
Ewolucyjne spojrzenie na życie roślin lądowych
„To historia ewolucji” – powiedział Yin, który kierował zespołem badawczym wraz z naukowcem z Niemiec. „Odpowiada na podstawowe pytanie, w jaki sposób najwcześniejsze rośliny lądowe wyewoluowały z wodnych alg słodkowodnych”.
Laboratorium Yina w Centrum Żywności dla Zdrowia w Nebrasce oraz na Wydziale Nauki i Technologii Żywności ma długą historię badania węglowodanów ze ściany komórkowej roślin, głównego składnika błonnika pokarmowego dla ludzi i zwierząt hodowlanych; lignocelulozy do produkcji biopaliw; oraz naturalne bariery chroniące uprawy przed patogenami i stresami środowiskowymi.
Całe obecne życie roślinne na lądzie powstało w wyniku jednorazowego zdarzenia ewolucyjnego zwanego lądowaniem roślin ze starożytnych alg słodkowodnych. Pierwsze rośliny lądowe, znane jako embrionofity z kladu streptophyta, pojawiły się na lądzie około 550 milionów lat temu, a ich pojawienie się zasadniczo zmieniło powierzchnię i atmosferę planety. Umożliwiły wszelkie inne życie ziemskie, w tym ludzi i zwierzęta, służąc jako ewolucyjny fundament przyszłej flory i pokarm dla fauny.
Pionierskie techniki genomiczne w badaniach nad glonami
Naukowcy pracowali z czterema szczepami glonów z rodzaju Zygnema – dwoma z kolekcji kultur w Stanach Zjednoczonych i dwoma z Niemiec. Naukowcy połączyli szereg nowatorskich rozwiązań DNA technik sekwencjonowania w celu określenia sekwencji całego genomu tych glonów. Metody te umożliwiły naukowcom wygenerowanie pełnych genomów tych organizmów na poziomie całych chromosomów — coś, czego nigdy wcześniej nie robiono w przypadku tej grupy glonów. Porównanie genomów z genomami innych roślin i alg doprowadziło do odkrycia specyficznych nadmiarów enzymów ściany komórkowej, genów sygnalizacyjnych i czynników reakcji środowiskowej.
Unikalne cechy alg Zygnema
Unikalną cechą tych glonów ujawnioną w obrazowaniu mikroskopowym – wykonanym na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii, Uniwersytecie w Hamburgu w Niemczech i Centrum Biotechnologii UNL – jest gruba i bardzo lepka warstwa węglowodanów na zewnątrz ścian komórkowych, zwana warstwą śluzu. Xuehuan Feng, pierwszy autor artykułu i pracownik naukowy Husker ze stopniem doktora, opracował nową i skuteczną metodę ekstrakcji DNA w celu usunięcia warstwy śluzu w celu uzyskania wysokiej czystości i wielkocząsteczkowego DNA.
„To fascynujące, że genetyczne elementy budulcowe, których początki poprzedzają rośliny lądowe o miliony lat, zduplikowały się i zróżnicowały u przodków roślin i glonów, umożliwiając w ten sposób ewolucję bardziej wyspecjalizowanych maszyn molekularnych” – powiedział Iker Irisarri z Leibniz Institute for the Analysis of Biodiversity Change i współautor artykułu.
Drugi współprzewodniczący zespołu, Jan de Vries z Uniwersytetu w Getyndze, powiedział: „Nie tylko prezentujemy cenne, wysokiej jakości źródło informacji dla całej społeczności naukowców zajmujących się roślinami, która może teraz badać dane dotyczące genomu, ale nasze analizy odsłoniły skomplikowane powiązania między reakcjami środowiskowymi.”
Badanie adaptacji środowiskowych w algach
Cztery wielokomórkowe algi Zygnema należą do klasy Zygnematophyceae, najbliższych żyjących krewnych roślin lądowych; jest to klasa glonów słodkowodnych i półlądowych, w której opisano ponad 4000 gatunków gatunek. Zygnematophyceae posiadają adaptacje odporne na stresory lądowe, takie jak wysychanie, światło ultrafioletowe, zamrażanie i inne stresy abiotyczne. Kluczem do zrozumienia tych adaptacji są sekwencje genomu. Przed publikacją sekwencje genomu były dostępne tylko dla czterech jednokomórkowych Zygnematophyceae.
Implikacje dla nauki i społeczeństwa
Yin powiedział, że te badania pokrywają się z badaniami National Science Foundation 10 wielkich pomysłów — „Zrozumienie zasad życia” – aby stawić czoła wyzwaniom społecznym, od czystej wody po odporność na zmianę klimatu. Odkrycie ma również znaczenie w naukach stosowanych, takich jak bioenergia, zrównoważony rozwój zasobów wodnych i sekwestracja dwutlenku węgla.
„Nasze analizy sieci genowej ujawniają koekspresję genów, szczególnie tych odpowiedzialnych za syntezę ściany komórkowej i remodyfikację, które zostały rozszerzone i uzyskane u ostatniego wspólnego przodka roślin lądowych i Zygnematophyceae” – powiedział Yin. „Rzucamy światło na głębokie ewolucyjne korzenie mechanizmu równoważenia reakcji środowiskowych i wzrostu komórek wielokomórkowych”.
Międzynarodowa współpraca badawcza obejmuje około 50 badaczy z 20 instytucji badawczych w ośmiu krajach – Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Francji, Austrii, Kanadzie, Chinach, Izraelu i Singapurze. Inni badacze Husker w zespole to Chi Zhang, profesor nauk biologicznych i Jeffrey Mower, profesor agronomii i ogrodnictwa.
Odniesienie: „Genomy wielokomórkowych sióstr glonów do roślin lądowych oświetlają ewolucję sieci sygnalizacyjnej” autorstwa Xuehuan Feng, Jinfang Zheng, Iker Irisarri, Huihui Yu, Bo Zheng, Zahin Ali, Sophie de Vries, Jean Keller, Janine MR Fürst-Jansen, Armin Dadras , Jaccoline MS Zegers, Tim P. Rieseberg, Amra Dhabalia Ashok, Tatyana Darienko, Maaike J. Bierenbroodspot, Lydia Gramzow, Romy Petroll, Fabian B. Haas, Noe Fernandez-Pozo, Orestis Nousias, Tang Li, Elisabeth Fitzek, W. Scott Grayburn, Nina Rittmeier, Charlotte Permann, Florian Rümpler, John M. Archibald, Günter Theißen, Jeffrey P. Mower, Maike Lorenz, Henrik Buschmann, Klaus von Schwartzenberg, Lori Boston, Richard D. Hayes, Chris Daum, Kerrie Barry, Igor V Grigoriev, Xiyin Wang, Fay-Wei Li, Stefan A. Rensing, Julius Ben Ari, Noa Keren, Assaf Mosquna, Andreas Holzinger, Pierre-Marc Delaux, Chi Zhang, Jinling Huang, Marek Mutwil, Jan de Vries i Yanbin Yin, 31 kwietnia 2024 r., Genetyka natury.
DOI: 10.1038/s41588-024-01737-3
Finansowanie części badań UNL pochodziło głównie z nagrody Yin NSF CAREER, funduszu Nebraska Tobacco Settlement Biomedical Research Enhancement Fund, funduszu Narodowe Instytuty Zdrowiaoraz amerykańskie departamenty rolnictwa i energii.
Finansowanie: Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki, Nebraska Tobacco Settlement Biomedical Research Development Fund, Fundusz Badań i Sztuki Uniwersytetu Północnego Illinois, Joint Genome Institute, Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, NIH/Narodowe Instytuty Zdrowia, Niemiecka Fundacja Badawcza, Europejska Rada ds. Badań Naukowych, Austriacka nauka Fundusz, Fundacja Billa i Melindy Gatesów, Brytyjskie Biuro ds. Spraw Zagranicznych, Wspólnoty Narodów i Rozwoju, Laboratoires d’Excellence
