Internationellt team knäcker den genetiska koden för de tidigaste formerna av terrestriskt växtliv
2 maj 2024
Denna artikel har granskats enligt Science X's redaktionella process och riktlinjer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de har säkerställt innehållets trovärdighet:
- Faktagranskat
- Tillförlitlig källa
- Korrekturläst
av Dan Moser, University of Nebraska-Lincoln
Plantelivet uppträdde först på land för omkring 550 miljoner år sedan, och ett internationellt forskarteam lett av Yanbin Yin, en datavetenskapsbiolog vid University of Nebraska-Lincoln, har knäckt den genomiska koden till dess blygsamma begynnelse, vilket gjorde allt annat terrestriskt liv på jorden, inklusive människor, möjligt.
Teamet - omkring 50 forskare i åtta länder - har genererat den första genomiska sekvensen för fyra stammar av Zygnema-alger, de närmaste levande släktingarna till landväxter. Deras upptäckter kastar ljus över växters förmåga att anpassa sig till miljön och ger en rik grund för framtida forskning.
Studien publicerades den 1 maj i tidskriften Nature Genetics.
'Det här är en evolutionär historia', sade Yin, som ledde forskarteamet tillsammans med en forskare från Tyskland. 'Det ger svar på den grundläggande frågan om hur de första landväxterna utvecklades från akvatiska sötvattensalger.'
Yin's laboratorium i Nebraska Food for Health Center och Institutionen för livsmedelsvetenskap och teknik har en lång historia av att studera växtcellväggens kolhydrater, en viktig komponent i kostfibrer för människor och jordbruksdjur; lignocellulosa för biobränsleproduktion; och naturliga barriärer för att skydda grödor från patogener och miljöstress.
Allt nuvarande planteliv på land uppstod från en engångs evolutionär händelse som kännetecknas som terrestrisering av växter från urtida sötvattensalger. De första växterna på land, kända som embryofyter inom kladen streptofyter, uppstod på land för omkring 550 miljoner år sedan—deras ankomst förändrade fundamentalt planetens yta och atmosfär.
De gjorde allt annat terrestriskt liv, inklusive människor och djur, möjligt genom att fungera som en evolutionär grund för framtida flora och mat för fauna.
Forskarna arbetade med fyra algstammar från släktet Zygnema - två från en kultursamling i USA och två från Tyskland. Forskarna använde en rad skärande DNA-sekvenseringstekniker för att bestämma hela genomssekvenserna för dessa alger.
Denna metod möjliggjorde för forskare att generera kompletta genomer för dessa organismer på kromosomnivå - något som aldrig tidigare hade gjorts på denna grupp av alger. Jämförelse av dessa genomer med andra växters och algers ledde till upptäckten av specifika överflöd av cellväggsenzymer, signalgener och miljöresponsfaktorer.
En unik egenskap hos dessa alger avslöjades genom mikroskopisk avbildning - utförd vid University of Innsbruck i Österrike, Universität Hamburg i Tyskland och UNL's Center for Biotechnology - är ett tjockt och mycket kladdigt lager av kolhydrater utanför cellväggarna, kallat slemhinnelagret.
Xuehuan Feng, förstaförfattare till artikeln och en efterforskare på postdoktor Nivå vid Husker, utvecklade en ny och effektiv DNA extraktionsmetod för att avlägsna detta slemhinnelager för hög renhet och högt molekylära DNAs.
'Det är fascinerande att de genetiska byggstenarna, vars ursprung föregår landväxter med miljoner år, duplicerade och diversifierade i förfäder till växter och alger och på så sätt möjliggjorde utvecklingen av mer specialiserad molekylär maskineri', sa Iker Irisarri från Leibniz-institutet för analys av biodiversitetsförändring och medförstaförfattare till artikeln.
Teamets andra ledare, Jan de Vries från University of Göttingen, sa, 'Vi presenterar inte bara en värdefull högkvalitativ resurs för hela den botaniska vetenskapliga gemenskapen, som nu kan utforska dessa genomdata, våra analyser avslöjade komplicerade samband mellan miljörespons.'
De fyra flercelliga Zygnema-algerna tillhör klassen Zygnematophyceae, de närmaste levande släktingarna till landväxter; det är en klass av sötvattens- och semi-terrestriska alger med fler än 4 000 beskrivna arter.
Zygnematophyceae har anpassningar för att motstå terrestriska stressfaktorer, såsom uttorkning, ultraviolett ljus, frysning och andra icke-biotiska stressfaktorer. Nyckeln till att förstå dessa anpassningar är genomsekvenserna. Innan detta papper var genomsekvenser endast tillgängliga för fyra unicellulära Zygnematophyceae.
Yin sa att denna forskning stämmer överens med en av National Science Foundation's 10 Big Ideas—'Att förstå livets regler'—för att ta itu med samhällsutmaningar, från rent vatten till klimatresiliens. Upptäckten har också betydelse inom tillämpad vetenskap, såsom bioenergi, vattenhållbarhet och koldioxidlagring.
'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