Equipo internacional descifra el código genómico para las primeras formas de vida vegetal terrestre

2 de mayo, 2024

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por Dan Moser, Universidad de Nebraska-Lincoln

La vida vegetal primero apareció en la tierra hace unos 550 millones de años, y un equipo internacional de investigación, codirigido por el biólogo computacional Yanbin Yin de la Universidad de Nebraska-Lincoln, ha descifrado el código genómico de sus humildes comienzos, que hizo posible toda otra vida terrestre en la Tierra, incluyendo a los humanos.

El equipo, compuesto por unos 50 científicos en ocho países, ha generado la primera secuencia genómica de cuatro cepas de algas Zygnema, los parientes vivos más cercanos de las plantas terrestres. Sus hallazgos arrojan luz sobre la capacidad de las plantas para adaptarse al medio ambiente y proporcionan una rica base para futuras investigaciones.

El estudio fue publicado el 1 de mayo en la revista Nature Genetics.

'Esta es una historia evolutiva,' dijo Yin, quien lideró el equipo de investigación con un científico de Alemania. 'Responde a la pregunta fundamental de cómo las primeras plantas terrestres evolucionaron a partir de las algas de agua dulce.'

El laboratorio de Yin en el Nebraska Food for Health Center y el Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos tiene una larga historia de estudio de los carbohidratos de la pared celular de las plantas, un componente principal de las fibras dietéticas para los humanos y los animales de granja; lignocelulosas para la producción de biocombustibles; y barreras naturales para proteger los cultivos de patógenos y tensiones ambientales.

Toda la vida vegetal actual en la superficie terrestre proviene de un evento evolutivo único conocido como la terrestrialización de plantas a partir de las antiguas algas de agua dulce. Las primeras plantas terrestres, conocidas como embryophyta dentro del clado de streptophyta, emergieron en tierra hace unos 550 millones de años, su llegada cambió fundamentalmente la superficie y la atmósfera del planeta.

Hicieron posible toda otra vida terrestre, incluyendo a los humanos y los animales, al servir como una base evolutiva para la futura flora y alimento para la fauna.

Los investigadores trabajaron con cuatro cepas de algas del género Zygnema, dos de una colección de cultivos en los Estados Unidos y dos de Alemania. Los científicos combinaron varios métodos de secuenciación de ADN de vanguardia para determinar las secuencias genómicas completas de estas algas.

Estos métodos permitieron a los científicos generar genomas completos para estos organismos al nivel de los cromosomas enteros, algo que nunca antes se había hecho en este grupo de algas. Comparar los genomas con los de otras plantas y algas llevó al descubrimiento de sobreabundancias específicas de enzimas de la pared celular, genes de señalización y factores de respuesta ambiental.

Una característica única de estas algas revelada por la imagen microscópica, realizada en la Universidad de Innsbruck en Austria, la Universidad de Hamburgo en Alemania y el Centro de Biotecnología de la UNL, es una capa espesa y muy pegajosa de carbohidratos fuera de las paredes celulares, llamada la capa de mucílago.

Xuehuan Feng, el primer autor del artículo y un asociado de investigación postdoctoral de Husker, desarrolló un nuevo y efectivo método de extracción de ADN para eliminar esta capa de mucílago para ADN de alta pureza y alto peso molecular.

'Es fascinante que los bloques de construcción genéticos, cuyos orígenes preceden a las plantas terrestres por millones de años, se duplicaran y diversificaran en los ancestros de las plantas y las algas y, al hacerlo, permitieran la evolución de maquinaria molecular más especializada,' dijo Iker Irisarri del Instituto Leibniz para el Análisis del Cambio de la Biodiversidad y coautor principal del artículo.

El otro colíder del equipo, Jan de Vries de la Universidad de Göttingen, dijo, 'No solo presentamos un recurso valioso de alta calidad para toda la comunidad científica de las plantas, que ahora puede explorar estos datos genómicos, nuestros análisis descubrieron conexiones complejas entre respuestas ambientales.'

Las cuatro algas multicelulares Zygnema pertenecen a la clase Zygnematophyceae, los parientes vivos más cercanos de las plantas terrestres; es una clase de algas de agua dulce y semi terrestres con más de 4,000 especies descritas.

Las Zygnematophyceae poseen adaptaciones para resistir los estresores terrestres, como la desecación, la luz ultravioleta, la congelación y otros estresores abióticos. La clave para entender estas adaptaciones son las secuencias del genoma. Antes de este artículo, las secuencias del genoma solo estaban disponibles para cuatro Zygnematophyceae unicelulares.

Yin dijo que esta investigación se alinea con una de las 10 grandes ideas de la Fundación Nacional de Ciencias: 'Entender las reglas de la vida' para abordar desafíos sociales, desde agua limpia hasta resiliencia climática. El descubrimiento también tiene importancia en las ciencias aplicadas, como la bioenergía, la sostenibilidad del agua y la secuestración de carbono.

'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