Internationaal team kraakt genetische code voor de vroegste vormen van terrestrisch plantenleven

2 mei 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. De redacteuren hebben de volgende attributen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud verzekeren:

• gefactcheckt
• betrouwbare bron
• geproeflezen

door Dan Moser, University of Nebraska-Lincoln

Plantenleven ontstond voor het eerst op het land ongeveer 550 miljoen jaar geleden, en een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de computationele bioloog Yanbin Yin van de Universiteit van Nebraska-Lincoln heeft de genetische code van zijn nederige beginnen ontcijferd, waardoor al het andere terrestrische leven op aarde, waaronder mensen, mogelijk werd.

Het team - ongeveer 50 wetenschappers in acht landen - heeft de eerste genoomsequentie van vier stammen van Zygnema-algen gegenereerd, de meest nabije levende verwanten van landplanten. Hun bevindingen werpen licht op het vermogen van planten om zich aan te passen aan de omgeving en bieden een rijke basis voor toekomstig onderzoek.

De studie is op 1 mei gepubliceerd in het tijdschrift Nature Genetics.

'Dit is een evolutionair verhaal', zei Yin, die het onderzoeksteam leidde met een wetenschapper uit Duitsland. 'Het beantwoordt de fundamentele vraag hoe de vroegste landplanten zijn geëvolueerd uit zoetwateralgen.'

Het lab van Yin in het Nebraska Food for Health Center en de afdeling Voedingswetenschap en Technologie heeft een lange geschiedenis van het bestuderen van plantencelwandkoolhydraten, een belangrijk onderdeel van voedingsvezels voor de mens en boerderijdieren; lignocelluloses voor biobrandstofproductie; en natuurlijke barrières om gewassen te beschermen tegen ziekteverwekkers en omgevingsstress.

Al het huidige plantenleven op het land barstte uit een eenmalige evolutionaire gebeurtenis die bekend staat als plant terrestrialisatie van oude zoetwateralgen. De eerste landplanten, embryofyta genoemd binnen de clade van streptofyta, ontstonden op het land ongeveer 550 miljoen jaar geleden - hun aankomst veranderde fundamenteel het oppervlak en de atmosfeer van de planeet.

Zij maakten al het andere terrestrische leven, inclusief mensen en dieren, mogelijk door te dienen als evolutionaire basis voor toekomstige flora en voedsel voor fauna.

De onderzoekers werkten met vier algenstammen uit het geslacht Zygnema - twee uit een cultuurcollectie in de Verenigde Staten en twee uit Duitsland. Wetenschappers combineerden een reeks geavanceerde DNA-sequencingtechnieken om de volledige genoomsequenties van deze algen te bepalen.

Deze methoden stelden wetenschappers in staat om volledige genomen voor deze organismen te genereren op het niveau van hele chromosomen - iets wat nog nooit eerder was gedaan in deze groep algen. Vergelijking van de genomen met die van andere planten en algen leidde tot de ontdekking van specifieke overvloeden aan celwandenzymen, signaalgenees en milieureactiefactoren.

Een uniek kenmerk van deze algen, onthuld door microscopische beeldvorming - uitgevoerd aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk, de Universität Hamburg in Duitsland en UNL's Center for Biotechnology - is een dikke en zeer kleverige laag koolhydraten buiten de celwanden, de zogenaamde mucilagelaag.

Xuehuan Feng, de eerste auteur van het artikel en een Husker postdoctoraal onderzoeksassocië, ontwikkelde een nieuwe en effectieve DNA-extractiemethode om deze mucilagelaag te verwijderen voor hoge zuiverheid en hoge moleculaire DNAs.

'Het is fascinerend dat de genetische bouwstenen, waarvan de oorsprong de landplanten met miljoenen jaren voorafging, zich dupliceerden en diversifieerden in de voorouders van planten en algen en daarmee de evolutie van meer gespecialiseerde moleculaire machines mogelijk maakten', zei Iker Irisarri van het Leibniz Institute for the Analysis of Biodiversity Change en co-eerste auteur van het artikel.

De andere co-leider van het team, Jan de Vries van de Universiteit van Göttingen, zei: 'We presenteren niet alleen een waardevolle, hoogwaardige bron voor de hele plantwetenschappelijke gemeenschap, die nu deze genoomgegevens kan verkennen, onze analyses hebben intrigerende verbanden tussen milieureacties aan het licht gebracht.'

De vier meercellige Zygnema-algen behoren tot de klasse Zygnematophyceae, de meest nabije levende verwanten van landplanten; het is een klasse van zoetwater- en semi-terrestrische algen met meer dan 4.000 beschreven soorten.

Zygnematophyceae hebben aanpassingen om terrestrische stressfactoren te weerstaan, zoals uitdroging, ultraviolet licht, bevriezing en andere abiotische stress. De sleutel tot het begrijpen van deze aanpassingen zijn de genoomsequenties. Voor dit artikel waren genoomsequenties alleen beschikbaar voor vier eencellige Zygnematophyceae.

Yin zei dat dit onderzoek aansluit bij een van de 10 Big Ideas van de National Science Foundation - 'Understanding the Rules of Life' - om maatschappelijke uitdagingen aan te pakken, van schoon water tot klimaatbestendigheid. De ontdekking heeft ook aanzienlijke betekenis in toegepaste wetenschappen, zoals bio-energie, waterduurzaamheid en koolstofvastlegging.

'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