Il team internazionale decifra il codice genetico per le prime forme di vita vegetale terrestre

2 Maggio 2024

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di Dan Moser, Università del Nebraska-Lincoln

La vita vegetale è comparsa sulla terra circa 550 milioni di anni fa, e una squadra internazionale di ricerca guidata dal biologo computazionale dell'Università del Nebraska-Lincoln Yanbin Yin, ha decifrato il codice genomico dei suoi umili inizi, che ha reso possibile ogni altra vita terrestre sulla Terra, inclusi gli esseri umani.

La squadra, composta da circa 50 scienziati in otto paesi, ha generato la prima sequenza genomica di quattro ceppi di alghe Zygnema, i parenti viventi più prossimi delle piante terrestri. Le loro scoperte gettano luce sulla capacità delle piante di adattarsi all'ambiente e forniscono una base ricca per future ricerche.

Lo studio è stato pubblicato il 1° maggio sulla rivista Nature Genetics.

'Questa è una storia evolutiva,' ha detto Yin, che ha guidato il team di ricerca con uno scienziato dalla Germania. 'Risponde alla fondamentale domanda di come le prime piante terrestri siano evolute dalle alghe d'acqua dolce.'

Il laboratorio di Yin al Nebraska Food for Health Center e al Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari ha una lunga storia di studi sui carboidrati della parete cellulare delle piante, un componente principale delle fibre alimentari per gli esseri umani e gli animali da fattoria; lignocellulose per la produzione di biocarburanti; e barriere naturali per proteggere le colture da patogeni e stress ambientali.

Tutta l'attuale vita vegetale sulla terra è scoppiata da un evento evolutivo unico noto come terrestriizzazione delle piante dalle antiche alghe d'acqua dolce. Le prime piante terrestri, conosciute come embriofite all'interno del clade degli streptofiti, emersero sulla terra circa 550 milioni di anni fa, cambiando fondamentalmente la superficie e l'atmosfera del pianeta.

Hanno reso possibile tutta la restante vita terrestre, compresi esseri umani e animali, servendo come fondamento evolutivo per la futura flora e il cibo per la fauna.

I ricercatori hanno lavorato con quattro ceppi di alghe del genere Zygnema, due da una collezione di culture negli Stati Uniti e due dalla Germania. Gli scienziati hanno combinato una gamma di tecniche innovative di sequenziamento del DNA per determinare le sequenze genomiche intere di queste alghe.

Questi metodi hanno permesso agli scienziati di generare genomi completi per questi organismi a livello di cromosomi interi, qualcosa che non era mai stato fatto prima su questo gruppo di alghe. Confrontando i genomi con quelli di altre piante e alghe si è giunti alla scoperta di specifiche sovrabbondanze di enzimi della parete cellulare, geni di segnalazione e fattori di risposta ambientale.

Una caratteristica unica di queste alghe rivelata da immagini microscopiche - realizzate presso l'Università di Innsbruck in Austria, l'Università di Amburgo in Germania e il Centro per la Biotecnologia dell'UNL, è uno strato spesso e molto appiccicoso di carboidrati al di fuori delle pareti cellulari, chiamato strato di mucillagine.

Xuehuan Feng, primo autore del documento e un associato di ricerca post-dottorato dell'Husker, ha sviluppato un nuovo ed efficace metodo di estrazione del DNA per rimuovere questo strato di mucillagine per DNAs di alta purezza e alta molecolarità.

'È affascinante che i mattoni genetici, le cui origini precedono le piante terrestri di milioni di anni, si siano duplicati e diversificati negli antenati delle piante e delle alghe e, così facendo, hanno permesso l'evoluzione di una macchina molecolare più specializzata,' ha detto Iker Irisarri del Leibniz Institute for the Analysis of Biodiversity Change e co-primo autore del documento.

Il secondo co-leader del team, Jan de Vries dell'Università di Gottinga, ha detto, 'Non solo presentiamo una preziosa risorsa di alta qualità per l'intera comunità scientifica delle piante, che ora può esplorare questi dati genomici, le nostre analisi hanno scoperto connessioni intricate tra le risposte ambientali.'

Le quattro alghe multicellulari Zygnema appartengono alla classe Zygnematophyceae, i parenti viventi più prossimi delle piante terrestri; è una classe di alghe d'acqua dolce e semi-terrestri con più di 4.000 specie descritte.

Le Zygnematophyceae possiedono adattamenti per resistere agli stressori terrestri, come la disidratazione, la luce ultravioletta, il congelamento e altri stress abiotici. La chiave per capire questi adattamenti sono le sequenze del genoma. Prima di questo documento, le sequenze del genoma erano disponibili solo per quattro Zygnematophyceae unicellulari.

Yin ha detto che questa ricerca si allinea con una delle 10 Grandi Idee della National Science Foundation - 'Capire le Regole della Vita' - per affrontare le sfide sociali, dall'acqua pulita alla resilienza climatica. La scoperta ha anche un'importa significativa nelle scienze applicate, come la bioenergia, la sostenibilità dell'acqua e il sequestro del carbonio.

'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