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國際團隊破解陸地植物生命最早形式的基因組密碼

植物


國際團隊破解陸地植物生命最早形式的基因組密碼


Zygnema 。來源：《自然遺傳學》（2024） 。DOI:10.1038/s41588-024-01737-3
據內布拉斯加大學林肯分校（Dan Moser）：大約5.5億年前，植物生命首次出現在陸地上 ， 由內布拉斯加大學-林肯大學計算生物學家尹彥斌共同領導的一個國際研究團隊破解了其卑微起源的基因組密碼，這使得地球上所有其他陸地生命，包括人類，都成為可能 。
該團隊——來自八個國家的大約50名科學家——已經生成了四種Zynema藻類菌株的第一個基因組序列 ， Zyngma藻類是陸地植物的近親 。他們的發現揭示了植物適應環境的能力，并為未來的研究提供了豐富的基礎 。
這項研究于5月1日發表在《自然遺傳學》雜志上 。
“這是一個進化的故事 ， ”尹說，他和一位來自德國的科學家一起領導了這個研究小組 ?！八卮鹆俗钤绲年懙刂参锸侨绾螐乃孱愡M化而來的基本問題 ?！?br>尹在內布拉斯加州食品健康中心和食品科學技術部的實驗室研究植物細胞壁碳水化合物有著悠久的歷史，植物細胞壁是人類和農場動物膳食纖維的主要成分；用于生物燃料生產的木質纖維素；以及保護作物免受病原體和環境壓力的自然屏障 。
目前陸地上的所有植物生命都是由一個一次性的進化事件爆發的 ， 該事件被稱為古代淡水藻類的植物地球化 。大約5.5億年前，第一批陸地植物出現在陸地上，被稱為鏈菌門分支中的胚胎植物，它們的到來從根本上改變了地球的表面和大氣層 。
它們為未來的植物群和動物群提供了進化基?。?使包括人類和動物在內的所有其他陸地生命成為可能 。
研究人員研究了Zynema屬的四種藻類菌株，其中兩種來自美國的培養物 ， 兩種來自德國 ?？茖W家們結合了一系列尖端的DNA測序技術來確定這些藻類的整個基因組序列 。
這些方法使科學家能夠在整個染色體的水平上為這些生物生成完整的基因組——這是以前從未在這類藻類上做過的 。將這些基因組與其他植物和藻類的基因組進行比較，發現了特定過量的細胞壁酶、信號基因和環境反應因子 。

國際團隊破解陸地植物生命最早形式的基因組密碼


計算生物學家尹彥斌（右）和博士后研究員馮雪涵在對藻類樣品進行回顧 。來源：Craig Chandler/大學傳播與市場營銷學院/內布拉斯加大學林肯分校
奧地利因斯布魯克大學、德國漢堡大學和聯合國后勤基地生物技術中心進行的顯微鏡成像揭示了這些藻類的一個獨特特征，即細胞壁外有一層厚而高粘性的碳水化合物層，稱為粘液層 。
該論文的第一作者、Husker博士后研究員馮學歡開發了一種新的有效的DNA提取方法來去除這種粘液層，以獲得高純度和高分子量的DNA 。
萊布尼茨生物多樣性變化分析研究所的Iker Irisarri是該論文的共同第一作者，他說：“令人著迷的是，起源早于陸地植物數百萬年的基因構建塊在植物和藻類的祖先身上復制和多樣化，從而使更專業的分子機制得以進化 ?！?。
該團隊的另一位聯合負責人、哥廷根大學的Jan de Vries說：“我們不僅為整個植物科學界提供了寶貴的高質量資源 ， 他們現在可以探索這些基因組數據，我們的分析還揭示了環境反應之間的復雜聯系 ?！?br>四種多細胞Zynema藻類屬于Zynematophyceae綱 ， 是陸地植物的近親；它是一類淡水和半陸生藻類，有4000多種已描述的物種 。
接合瘤藻科具有抵抗陸地脅迫的適應能力，如干燥、紫外線、冷凍和其他非生物脅迫 。理解這些適應的關鍵是基因組序列 。在這篇論文發表之前，只有四種單細胞接合瘤藻科的基因組序列可用 。
尹說 ， 這項研究符合國家科學基金會的十大理念之一——“理解生活規則”——以應對從清潔水到氣候適應性等社會挑戰 。這一發現在生物能源、水可持續性和碳固存等應用科學領域也具有重要意義 。
尹說：“我們的基因網絡分析揭示了基因的共表達，特別是那些在陸地植物和Zynematophyceae的最后一個共同祖先中擴展和獲得的細胞壁合成和再修飾的基因 ?！?。
“我們揭示了平衡環境反應和多細胞生長機制的深層進化根源 ?！?br>這項國際研究合作包括來自美國、德國、法國、奧地利、加拿大、中國、以色列和新加坡八個國家20家研究機構的約50名研究人員 。Husker團隊中的其他研究人員包括生物科學教授Chi Zhang和農學和園藝教授Jeffrey Mower 。