Internationales Team knackt genetischen Code der frühesten Formen des terrestrischen Pflanzenlebens

2. Mai 2024

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von Dan Moser, Universität von Nebraska-Lincoln

Pflanzenleben entstand erstmals vor etwa 550 Millionen Jahren auf dem Land und ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des computerbiologischen Wissenschaftlers Yanbin Yin von der University of Nebraska-Lincoln hat den genetischen Code seiner bescheidenen Anfänge entschlüsselt, der alles andere terrestrische Leben auf der Erde, einschließlich der Menschen, ermöglichte.

Das Team - etwa 50 Wissenschaftler in acht Ländern - hat die erste genetische Sequenz von vier Stämmen der Zygnema-Algen erstellt, den nächsten lebenden Verwandten der Landpflanzen. Ihre Ergebnisse werfen Licht auf die Fähigkeit der Pflanzen, sich an die Umwelt anzupassen und bilden eine reiche Basis für zukünftige Forschung.

Die Studie wurde am 1. Mai in der Fachzeitschrift Nature Genetics veröffentlicht.

"Das ist eine evolutionäre Geschichte", sagte Yin, der das Forschungsteam mit einem Wissenschaftler aus Deutschland leitete. "Es beantwortet die grundlegende Frage, wie die ersten Landpflanzen aus Süsswasseralgen entstanden sind."

Yins Labor im Nebraska Food for Health Center und der Abteilung für Lebensmittelwissenschaft und -technologie hat eine lange Geschichte in der Untersuchung von Pflanzenzellwand-Kohlenhydraten, die eine Hauptbestandteil von Ballaststoffen für Menschen und Nutztiere sind, Lignozellulosen für die Biokraftstoffproduktion und natürliche Barrieren zum Schutz von Kulturen vor Krankheitserregern und Umweltbelastungen.

Das gesamte derzeitige Pflanzenleben auf dem Land entstand aus einem einmaligen evolutionären Ereignis, das als terrestrische Entwicklung und als embryophyte innerhalb der Gruppe der Streptophyta bekannt ist. Die ersten Landpflanzen entstanden vor etwa 550 Millionen Jahren - ihre Ankunft veränderte grundlegend die Oberfläche und Atmosphäre des Planeten.

Sie machten alles andere terrestrische Leben, einschließlich Menschen und Tiere, möglich, indem sie als evolutionäre Grundlage für zukünftige Flora und Nahrung für Fauna dienten.

Die Forscher arbeiteten mit vier Algenstämmen aus der Gattung Zygnema - zwei aus einer Kultursammlung in den USA und zwei aus Deutschland. Die Wissenschaftler kombinierten eine Reihe von modernsten DNA-Sequenzierungstechniken, um die gesamten Genomsequenzen dieser Algen zu bestimmen.

Diese Methoden ermöglichten den Wissenschaftlern, vollständige Genome für diese Organismen auf Chromosomenebene zu erzeugen - etwas, das bei dieser Algengruppe noch nie zuvor gemacht wurde. Der Vergleich der Genome mit denen anderer Pflanzen und Algen führte zur Entdeckung spezifischer Überflüsse an Zellwandenzymen, Signalgenen und Umweltantwortfaktoren.

Eine einzigartige Eigenschaft dieser Algen, die durch mikroskopische Untersuchungen enthüllt wurde - durchgeführt an der Universität von Innsbruck in Österreich, der Universität Hamburg in Deutschland und dem Center for Biotechnology der UNL - ist eine dicke und sehr klebrige Schicht von Kohlenhydraten außerhalb der Zellwände, die sogenannte Schleimschicht.

Xuehuan Feng, der Erstautor der Arbeit und ein Postdoktorand der Husker, entwickelte eine neue und effektive DNA-Extraktionsmethode, um diese Schleimschicht für hochreine und hochmolekulare DNAs zu entfernen.

"Es ist faszinierend, dass die genetischen Bausteine, deren Ursprung Millionen von Jahren vor den Landpflanzen liegt, sich in den Vorfahren von Pflanzen und Algen verdoppelt und diversifiziert haben und so die Evolution von spezialisierteren molekularen Maschinen ermöglicht haben", sagte Iker Irisarri vom Leibniz-Institut für die Analyse des Biodiversitätswandels und Mit-Erstautor des Beitrags.

Der andere Co-Leiter des Teams, Jan de Vries von der Universität Göttingen, sagte: "Wir präsentieren nicht nur eine wertvolle, hochwertige Ressource für die gesamte pflanzenwissenschaftliche Gemeinschaft, die nun diese Genomdaten erforschen kann, unsere Analysen haben auch komplexe Zusammenhänge zwischen Umweltreaktionen aufgedeckt."

Die vier mehrzelligen Zygnema-Algen gehören zur Klasse der Zygnematophyceae, die nächsten lebenden Verwandten der Landpflanzen; es handelt sich um eine Klasse von Süßwasser- und halbterrestrischen Algen mit mehr als 4.000 beschriebenen Arten.

Zygnematophyceae besitzen Anpassungen, um terrestrische Stressfaktoren wie Austrocknung, ultraviolettes Licht, Gefrieren und andere abiotische Belastungen zu überstehen. Der Schlüssel zum Verständnis dieser Anpassungen sind die Genomsequenzen. Bevor diese Arbeit veröffentlicht wurde, waren Genomsequenzen nur für vier einzellige Zygnematophyceae verfügbar.

Yin sagte, dass diese Forschung im Einklang mit einer der 10 großen Ideen der National Science Foundation steht - "Understanding the Rules of Life" - um gesellschaftliche Herausforderungen, von sauberem Wasser bis zur Klimaresilienz, zu bewältigen. Die Entdeckung hat auch Bedeutung für angewandte Wissenschaften, wie Bioenergie, Wassernachhaltigkeit und Kohlenstoffbindung.

'Our gene network analyses reveal co-expression of genes, especially those for cell wall synthesis and remodifications that were expanded and gained in the last common ancestor of land plants and Zygnematophyceae,' Yin said.

'We shed light on the deep evolutionary roots of the mechanism for balancing environmental responses and multicellular cell growth.'

The international research collaboration includes about 50 researchers from 20 research institutions in eight countries—the United States, Germany, France, Austria, Canada, China, Israel and Singapore. Other Husker researchers on the team are Chi Zhang, professor of biological sciences, and Jeffrey Mower, professor of agronomy and horticulture.

Provided by University of Nebraska-Lincoln