“遗传程序”允许所有植物的祖先征服干旱的土地

作者:保罗·麦克卢尔

从Göttingen大学的培养中获得的两株Zygnema菌株。C表示叶绿体，N表示细胞核，P表示类核蛋白。一个细胞的纤维包含两个叶绿体和一个细胞核。

Feng等。

我们现在知道最早的陆生植物——古老的藻类——是如何在数亿年前征服陆地地球，并为后来的所有生命奠定(字面上的)基础的。它突出了植物进化中迷人的遗传策略。

大约5.5亿年前，地球上第一批陆地植物从古老的藻类中爆发出来。这种一次性的进化事件，被称为植物地球化，从根本上改变了地球的表面和大气，使包括人类在内的所有其他陆地生命的发展成为可能。

现在，在内布拉斯加大学林肯分校的领导下，一个由来自全球20个研究机构的50名科学家组成的团队绘制了四种古老的Zygnema藻类的基因组图谱，揭示了最早的陆地植物的基因创新。

“这是一个进化的故事，”内布拉斯加大学林肯分校的计算生物学家、该研究的共同通讯作者尹彦斌说。“它回答了最早的陆地植物是如何从水生淡水藻类进化而来的这个基本问题。”

基因组测序是确定生物体完整遗传物质(DNA)的过程，将其组装成计算表示。它为研究物种进化和理解遗传多样性提供了宝贵的资源。如果组装是在染色体的水平上，那么整个基因组序列更有用，因为染色体是基因的物理位置。

绘制Zygnema藻类的基因组图谱为陆地的进化提供了线索plantsKlára Plíhalová/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

研究人员收集了四种多细胞Zygnema菌株，其中两种来自德克萨斯大学奥斯汀分校的藻类培养，另两种来自德国Göttingen大学。Zygnema属于Zygnematophyceae，这是一类淡水和半陆生藻类，有超过4000种已被描述的物种，它们已经适应了极端的压力，如紫外线、极端干燥和冷冻。陆地植物的一个显著特征是它们的多细胞体。参与多细胞和环境胁迫反应的基因紧密相连，为植物的适应性提供了基础。

利用尖端的DNA测序技术，研究人员为这种藻类生成了一个完整的、染色体规模的基因组。在此研究之前，只有单细胞的Zygnematophyceae的基因组被测序，这是该类藻类第一次染色体水平的基因组组装。

研究人员将其基因组与其他植物和藻类的基因组进行了比较，发现了Zygnema采用的基因创新。他们发现了与生长发育、细胞分裂、细胞壁生物合成和重塑有关的“遗传程序”，以及由环境因素触发的基因。这种基因的共同表达表明，它们共同感知环境并相应地调节植物生长。

Yin说:“我们的基因网络分析揭示了基因的共表达，特别是那些用于细胞壁合成和重组的基因，这些基因在陆地植物和Zygnematophyceae的最后一个共同祖先中得到了扩展和获得。”“我们揭示了平衡环境反应和多细胞细胞生长机制的深层进化根源。”

研究人员表示，他们的发现将导致对生物能源、水的可持续性和碳封存的进一步研究。

“我们不仅为整个植物科学界提供了一个有价值的、高质量的资源，他们现在可以探索这些基因组数据，我们的分析揭示了环境反应之间的复杂联系，”Göttingen大学的共同通讯作者Jan de Vries说。

这项研究发表在《自然遗传学》杂志上。

资料来源:内布拉斯加大学林肯分校