Internationalt team knækker genomisk kode for de tidligste former for jordbaseret planteliv
Planteliv opstod først på land for omkring 550 millioner år siden, og et internationalt forskerhold ledet af University of Nebraska-Lincoln beregningsbiolog Yanbin Yin har knækket den genomiske kode for dens beskedne begyndelse, som muliggjorde alt andet jordlevende liv på Jorden, inklusive mennesker.
Holdet - omkring 50 videnskabsmænd i otte lande - har genereret den første genomiske sekvens af fire stammer af Zygnema-alger, de nærmeste levende slægtninge til landplanter. Deres resultater kaster lys over planters evne til at tilpasse sig miljøet og giver et rigt grundlag for fremtidig forskning.
Undersøgelsen blev offentliggjort 1. maj i tidsskriftet Nature Genetics.
"Dette er en evolutionær historie," sagde Yin, der ledede forskerholdet med en videnskabsmand fra Tyskland. "Det besvarer det grundlæggende spørgsmål om, hvordan de tidligste landplanter udviklede sig fra akvatiske ferskvandsalger."
Yins laboratorium i Nebraska Food for Health Center og Department of Food Science and Technology har en lang historie med at studere plantecellevægskulhydrater, en vigtig bestanddel af kostfibre til mennesker og husdyr; lignocelluloser til produktion af biobrændstoffer; og naturlige barrierer for at beskytte afgrøder mod patogener og miljøbelastninger.
Alt det nuværende planteliv på land brister fra en engangsbegivenhed, der evolutionært er kendt som plantejorddannelse fra gamle ferskvandsalger. De første landplanter, kendt som embryophyta inden for streptophyta-kladen, dukkede op på land for omkring 550 millioner år siden - deres ankomst ændrede fundamentalt planetens overflade og atmosfære.
De gjorde alt andet terrestrisk liv, inklusive mennesker og dyr, muligt ved at tjene som et evolutionært grundlag for fremtidig flora og føde for fauna.
Forskerne arbejdede med fire algestammer fra slægten Zygnema - to fra en kultursamling i USA og to fra Tyskland. Forskere kombinerede en række banebrydende DNA-sekventeringsteknikker for at bestemme hele genomsekvenserne af disse alger.
Disse metoder gjorde det muligt for forskere at generere komplette genomer til disse organismer på niveau med hele kromosomer - noget, der aldrig var blevet gjort før på denne gruppe af alger. Sammenligning af genomerne med genomerne fra andre planter og alger førte til opdagelsen af specifikke overflod af cellevægsenzymer, signalgener og miljømæssige responsfaktorer.
Et unikt træk ved disse alger afsløret ved mikroskopisk billeddannelse - udført ved Universitetet i Innsbruck i Østrig, Universität Hamburg i Tyskland og UNL's Center for Bioteknologi - er et tykt og meget klæbrigt lag af kulhydrater uden for cellevæggene, kaldet slimlaget.
Xuehuan Feng, den første forfatter til papiret og en Husker-postdoc-forsker, udviklede en ny og effektiv DNA-ekstraktionsmetode til at fjerne dette slimlag for høj renhed og højmolekylære DNA'er.
"Det er fascinerende, at de genetiske byggesten, hvis oprindelse går forud for landplanter i millioner af år, duplikeres og diversificeres i planters og algers forfædre og dermed muliggjorde udviklingen af mere specialiserede molekylære maskiner," sagde Iker Irisarri fra Leibniz Institute for the Analysis of Biodiversity Change og medførsteforfatter af papiret.
Holdets anden medleder, Jan de Vries fra universitetet i Göttingen, sagde:"Ikke kun præsenterer vi en værdifuld ressource af høj kvalitet for hele plantevidenskabelige samfund, som nu kan udforske disse genomdata, vores analyser afslørede indviklede sammenhænge mellem miljømæssige reaktioner."
De fire flercellede Zygnema-alger tilhører klassen Zygnematophyceae, de nærmeste levende slægtninge til landplanter; det er en klasse af ferskvands- og semi-terrestriske alger med mere end 4.000 beskrevne arter.
Zygnematophyceae besidder tilpasninger til at modstå terrestriske stressfaktorer, såsom udtørring, ultraviolet lys, frysning og andre abiotiske belastninger. Nøglen til at forstå disse tilpasninger er genomsekvenserne. Før denne artikel var genomsekvenser kun tilgængelige for fire encellede Zygnematophyceae.
Yin sagde, at denne forskning stemmer overens med en af National Science Foundations 10 store ideer - "Forståelse af livets regler" - for at løse samfundsmæssige udfordringer, fra rent vand til klimaresiliens. Opdagelsen har også betydning inden for anvendt videnskab, såsom bioenergi, vandbæredygtighed og kulstofbinding.
"Vores gennetværksanalyser afslører co-ekspression af gener, især dem til cellevægssyntese og remodifikationer, som blev udvidet og opnået i den sidste fælles forfader til landplanter og Zygnematophyceae," sagde Yin.
"Vi kaster lys over de dybe evolutionære rødder af mekanismen til balancering af miljøresponser og multicellulær cellevækst."
Det internationale forskningssamarbejde omfatter omkring 50 forskere fra 20 forskningsinstitutioner i otte lande – USA, Tyskland, Frankrig, Østrig, Canada, Kina, Israel og Singapore. Andre Husker-forskere på holdet er Chi Zhang, professor i biologiske videnskaber, og Jeffrey Mower, professor i agronomi og havebrug.
Flere oplysninger: Xuehuan Feng et al., Genomer af multicellulære algesøstre til landplanter belyser signalnetværkets udvikling, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01737-3
Leveret af University of Nebraska-Lincoln
Varme artikler
-
Bakteriel kontrolmekanisme til tilpasning til skiftende forholdFor at overleve en skiftende tilførsel af næringsstoffer, bakterier udviklede strategier til at tilpasse deres stofskifte. Fysikere ved Technical University of Munich (TUM) og University of California -
Hvordan kravler myrer på vægge? En biolog forklarer deres klæbrige, spidse, tyngdekraft-trodsende…Et nærbillede af en multisegmenteret myrefod. Hver fod er foret med spidse værktøjer, der hjælper med at gribe næsten enhver overflade. Kredit:Deby Cassill, CC BY-ND Hvordan kravler myrer på vægge? -
Forskning skaber måde at beskytte grise mod PRRS under reproduktionRaymond Bob Rowland, Kansas State University professor i diagnostisk medicin og patobiologi ved College of Veterinary Medicine, har skabt en måde at beskytte svineafkom mod den ødelæggende PRRS-virus -
Leder efter CRISPR-schweizisk hærsknivRepræsentation af CRISPR -protein Cpf1. Klasse 2 CRISPR Cas -komplekserne, herunder Cas9 og Cpf1, har stor alsidighed, da et enkelt protein styret af en guide RNA er i stand til at genkende og skære e
- Hubble spioner spiralgalakse
- FN's chef tager tilbage til Caribien for at slå alarm om klimaforandringer, orkaner
- Enkeltatom-tynd platin er en fantastisk kemisk sensor
- Kunne flydende byer hjælpe folk med at tilpasse sig stigende havniveauer?
- Krystalstruktur afslører, hvordan curcumin hæmmer kræft
- Hvad sker der, når kemiske bindinger bryder og der dannes nye bindinger?