Genomanalyse af tidlig planteslægt kaster lys over, hvordan planter lærte at trives på land

Selvom det findes over hele verden, det er let at overse den almindelige leverurt - planten kan passe i håndfladen og ser ud til at bestå af flade, overlappende blade. På trods af deres uoverskuelige udseende, disse planter uden rødder eller karvæv til transport af næringsstoffer er levende led til overgangen fra algerne, der fandt vej ud af havet, til den etablerede mængde landplanter.

Som rapporteret i 5. oktober, 2017 udgave af Celle , et internationalt hold, der inkluderer forskere ved US Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), en DOE Office of Science brugerfacilitet, analyserede genomsekvensen af ​​den almindelige leverurt ( Marchantia polymorpha ) for at identificere gener og genfamilier, der blev anset for at være afgørende for planteudvikling og er blevet bevaret over millioner af år og på tværs af planteslægter. Arbejdet blev ledet af forskere ved Monash University i Australien, og på Kyoto University og Kindai University i Japan.

"Tidlige planter som leverurten er det, der sætter verden op for landplanter. Uden dem, vi ville ikke have planter mere end to meter fra havet og ferskvandet, " sagde lederen af ​​DOE JGI Plant Program Jeremy Schmutz. "Ved at gå tilbage til leverurter, vi finder gener, der deles med græsser, som er kandidatgener for afgrøder til produktion af biobrændstof. Landplanter begyndte med de samme dele, der findes i Marchantia i dag, så ændringerne skyldes alle faktorer som evolution, polyploidi, genudveksling og selektionsrunder. Vi ønsker at vide, hvad gener gør, og vi gør dette ved at oversætte funktion på tværs af genomer ved hjælp af konserverede sekvenser. Mindre genomer med mindre kompleksitet - såsom dem i en basal eller tidlig plantemodel som leverurt - giver os muligheden for at identificere forfædres gener for et gen eller en genfamilie. Vi identificerer genfunktion i en plante og bestemmer, hvordan dette gen virker, og så identificerer vi andre gener ved at forstå den evolutionære historie af gen eller genfamilie på tværs af planters historie."

Genomsekventeringen og annoteringen blev udført gennem DOE JGI's Community Science Program, og muliggør genomiske sammenligninger med andre tidlige planteslægter sekventeret og analyseret af DOE JGI:spikemosen Selaginella moellendorffi og mosen Physcomitrella patens. En af de vigtigste biokemiske veje vedrører produktionen af ​​hormonet auxin, som er afgørende for at regulere plantevækst og udvikling. Holdet identificerede en minimal, men komplet vej for auxinbiosyntese i leverurten. Et andet fund tyder på, at generne, der koder for enzymer, der producerer "solcreme", der gjorde det muligt for tidlige planter at tolerere ultraviolet lys, kan være blevet overført fra gamle jordmikrober.

Et af holdets vigtigste resultater vedrører udvikling af plantecellevægge. De mange forskellige gener, der koder for enzymer til udvikling af plantecellevægge, der findes i Marchantia, understreger betydningen af ​​plantecellevægge for overgangen til landplanter. Holdet identificerede tidlige ligninbiosyntesegener svarende til dem i Physcomitrella. Mens de identificerede gener involveret i plasmodesmata-dannelse (plasmodesmata er membrankanaler involveret i næringsstof- og signalmolekyleoverførsler), en vej, der er involveret i celledeling, de fandt også, at leverurter bevarer resterne af celledelingsveje, der går forud for landplantespecifikke veje.

Et andet vigtigt fund involverer vandretention og distribution. Tidlige planter måtte udvikle strategier til at håndtere tørke og udtørring, og mange af de samme strategier anvendes stadig af moderne anlæg. Abscisinsyre er et plantestresshormon, der regulerer, hvornår en plante går i dvale, når der er mangel på vand. Holdet fandt homologe gener til abscisinsyrebiosyntese, og var også i stand til at identificere, hvornår specifikke receptorer blev kritiske for landplantefamilier.

Schmutz påpegede, at gennem Community Science-programmet, DOE JGI's udforskning af planters evolutionære historie udvides, fører til udviklingen af ​​en komparativ genomikramme, inklusive dem fra tidlige planteslægter som leverurten, som gavner planteforskningssamfundet som helhed. "Jo mere vi akkumulerer denne information i tidlige planteslægter, jo lettere er det at overføre plantefunktion på tværs af plantefylogeni og sammenligne plantefamilier for at se strålingen fra disse gener. Vi vil fokusere en del mere på planternes basale linjer for at komme ind på genernes evolutionære historie og position. Hvis vi kan forstå oprindelsen af ​​disse gener, kan vi forstå historisk funktion. At have flere arter giver os mulighed for at gøre mere og vise mere, end hvad vi kan med kun ét genom."

Ved at lære genernes oprindelige funktioner, belyst fra tidligere genomer, enklere, planter og celler, Forskere kan lettere løse funktionerne af beslægtede gener, der ses i mere komplekse planter, og som kan hjælpe med at løse DOE-missioner i bioenergi- og miljøprocesser.