Międzynarodowy zespół odkrywa kod genetyczny najwcześniejszych form lądowego życia roślinnego

2 maja 2024 roku

Ten artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Edytorzy podkreślili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• sprawdzone fakty
• zaufane źródło
• przeczytano próbę druku

przez Dana Mosera, Uniwersytet Nebraski-Lincoln

Życie roślinne po raz pierwszy pojawiło się na ziemi około 550 milionów lat temu, a międzynarodowy zespół badawczy współprowadzony przez bioinformatyka z Uniwersytetu Nebraski-Lincoln, Yanbina Yin, odkodował genomiczny kod jego skromnych początków, które umożliwiły wszystkie inne formy życia na Ziemi, w tym człowieka.

Zespół - około 50 naukowców z ośmiu krajów - wygenerował pierwszą sekwencję genomu czterech szczepów glonów Zygnema, najbliższych żyjących krewnych roślin lądowych. Ich odkrycia rzucają światło na zdolność roślin do dostosowywania się do środowiska i stanowią bogatą podstawę do przyszłych badań.

Badanie opublikowano 1 maja w czasopiśmie Nature Genetics.

'To jest historia ewolucyjna,' powiedział Yin, który prowadził zespół badawczy wraz z naukowcem z Niemiec. 'Odpowiada na podstawowe pytanie, jak najwcześniejsze rośliny lądowe ewoluowały z wodnych glonów słodkowodnych.'

Pracownia Yin, znajdująca się w Centrum Żywności dla Zdrowia w Nebrasce oraz w Departamencie Nauki o Żywności i Technologii, ma długą historię badań nad cukrami ściany komórkowej roślin, głównym składnikiem błonnika dietetycznego dla ludzi i zwierząt gospodarskich; lignoceluloza do produkcji biopaliw; i naturalne bariery chroniące uprawy przed patogenami i stresem środowiskowym.

Wszystko obecne życie roślinne na lądzie wyłoniło się z jednorazowego zdarzenia ewolucyjnego znanego jako roślinna lądowialność z dawnych glonów słodkowodnych. Pierwsze rośliny lądowe, znane jako embryophyta w kladzie streptophyta, pojawiły się na lądzie około 550 milionów lat temu - ich przybycie zasadniczo zmieniło powierzchnię i atmosferę planety.

Umożliwiły wszystkie inne formy życia na lądzie, w tym ludzi i zwierzęta, służąc jako ewolucyjne podstawy dla przyszłej flory i pokarmu dla fauny.

Badacze pracowali z czterema szczepami glonów z rodzaju Zygnema - dwoma z kolekcji kultur w Stanach Zjednoczonych i dwoma z Niemiec. Naukowcy połączyli szereg nowoczesnych technik sekwencjonowania DNA, aby ustalić całe sekwencje genomów tych glonów.

Te metody umożliwiły naukowcom wygenerowanie pełnych genomów dla tych organizmów na poziomie całych chromosomów - czegoś, co nigdy nie zostało zrobione wcześniej na tej grupie glonów. Porównanie genomów tych glonów z genomami innych roślin i glonów doprowadziło do odkrycia specyficznych nadmiarów enzymów ściany komórkowej, genów sygnalizacyjnych i czynników odpowiedzi na środowisko.

Unikalną cechą tych glonów, ujawnioną przez obrazowanie mikroskopowe - wykonane na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii, na Uniwersytecie w Hamburgu w Niemczech i w Centrum Biotecnologii UNL - jest gruba i bardzo lepka warstwa węglowodanów na zewnątrz ścian komórkowych, zwana warstwą śluzu.

Xuehuan Feng, pierwszy autor artykułu i stowarzyszony badacz postdoktorski Husker, opracował nową i skuteczną metodę ekstrakcji DNA do usunięcia tej warstwy śluzu w celu uzyskania o wysokiej czystości i wysokocząsteczkowego DNA.

'To jest fascynujące, że genetyczne bloki budujące, których początki poprzedzają rośliny lądowe o miliony lat, zdublowane i zdywersyfikowane w przodkach roślin i glonów, umożliwiły ewolucję bardziej wyspecjalizowanej machiny molekularnej,' powiedział Iker Irisarri z Leibniz Institute for the Analysis of Biodiversity Change i pierwszy współautor artykułu.

Inny współlider zespołu, Jan de Vries z Uniwersytetu w Getyndze, powiedział: 'Nie tylko prezentujemy cenną, wysokiej jakości zasób dla całej roślinnej społeczności naukowej, która może teraz eksplorować te dane genomowe, nasze analizy pokazały złożone powiązania między odpowiedziami na środowisko.'

Cztery wielokomórkowe glony Zygnema należą do klasy Zygnematophyceae, najbliższych żyjących krewnych roślin lądowych; jest to klasa słodkowodnych i półlądowych glonów z ponad 4 000 opisanych gatunków.

Zygnematophyceae mają przystosowania do radzenia sobie z lądowymi stresorami, takimi jak wysychanie, światło ultrafioletowe, zamrażanie i inne stresy abiotyczne. Kluczem do zrozumienia tych przystosowań są sekwencje genomów. Przed tym artykułem sekwencje genomów były dostępne tylko dla czterech jednokomórkowych Zygnematophyceae.

Yin powiedział, że to badanie wpisuje się w jeden z Dziesięciu Wielkich Pomysłów National Science Foundation - 'Zrozumienie Reguł Życia' - mających na celu rozwiązanie problemów społecznych, od czystej wody po odporność na zmiany klimatu. Odkrycie to ma również znaczenie w naukach stosowanych, takich jak bioenergia, zrównoważona gospodarka wodna i sekwestracja węgla.

'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