Pierwsze rośliny lądowe wyrosły ze starożytnych glonów na Ziemię około 550 milionów lat temu. To jednorazowe wydarzenie ewolucyjne, znane jako lądowanie roślin, zasadniczo zmieniło powierzchnię i atmosferę planety oraz umożliwiło rozwój wszystkich innych form życia na Ziemi – w tym ludzi.

Teraz pod kierownictwem Uniwersytetu Nebraska – Lincoln zespół składający się z 50 naukowców z 20 instytucji badawczych na całym świecie sporządził mapę genomu czterech szczepów tej starożytnej Zygnema algi, odkrywając innowacje genetyczne najwcześniejszych roślin lądowych.

„To jest historia ewolucji” – powiedział Yanbin Yin, biolog obliczeniowy z Uniwersytetu Nebraska – Lincoln i współautor badania. „Odpowiada na podstawowe pytanie, w jaki sposób najwcześniejsze rośliny lądowe wyewoluowały z wodnych alg słodkowodnych”.

Sekwencjonowanie genomu to proces określania pełnego materiału genetycznego organizmu (DNA), który składa się w reprezentację obliczeniową. Stanowi cenne źródło do badania ewolucji gatunków i zrozumienia różnorodności genetycznej. Sekwencja całego genomu jest bardziej użyteczna, jeśli składanie odbywa się na poziomie chromosomów, gdzie fizycznie zlokalizowane są geny.

Naukowcy złożyli cztery wielokomórkowe Zygnema szczepy wykorzystujące dwa z kolekcji kultur alg na Uniwersytecie Teksasu w Austin i dwa z Uniwersytetu w Getyndze w Niemczech. Zygnema należy do Zygnematophyceae, klasy alg słodkowodnych i półlądowych, obejmującej ponad 4000 opisanych gatunków, które przystosowały się do wytrzymania ekstremalnych czynników stresogennych, takich jak światło UV, ekstremalna suchość i zamarzanie. Cechą charakterystyczną roślin lądowych są ich ciała wielokomórkowe. Geny zaangażowane w wielokomórkowość i reakcję na stres środowiskowy są ze sobą ściśle powiązane i stanowią podstawę zdolności adaptacyjnych roślin.

Korzystając z najnowocześniejszych technik sekwencjonowania DNA, naukowcy wygenerowali kompletny genom glonów w skali chromosomowej. Przed tym badaniem zsekwencjonowano jedynie genomy jednokomórkowych Zygnematophyceae i był to pierwszy zespół genomu tej klasy glonów na poziomie chromosomów.

Porównując genomy z genomami innych roślin i glonów, naukowcy odkryli innowacje genetyczne stosowane przez Zygnema. Znaleźli „programy genetyczne” zaangażowane we wzrost i rozwój, podział komórek oraz biosyntezę i przebudowę ściany komórkowej, a także geny wyzwalane przez bodźce środowiskowe. Ta współekspresja genów sugerowała, że ​​współpracowały one nad wyczuwaniem środowiska i odpowiednią regulacją wzrostu roślin.

„Nasze analizy sieci genowej ujawniają koekspresję genów, szczególnie tych odpowiedzialnych za syntezę ściany komórkowej i remodyfikację, które zostały rozszerzone i uzyskane u ostatniego wspólnego przodka roślin lądowych i Zygnematophyceae” – powiedział Yin. „Rzucamy światło na głębokie ewolucyjne korzenie mechanizmów równoważenia reakcji środowiskowych i wzrostu komórek wielokomórkowych”.

Naukowcy twierdzą, że ich odkrycie doprowadzi do dalszych badań, które mogą mieć znaczenie dla bioenergii, zrównoważonego rozwoju zasobów wodnych i sekwestracji dwutlenku węgla.

„Nie tylko stanowimy cenne, wysokiej jakości źródło informacji dla całej społeczności naukowców zajmujących się roślinami, która może teraz badać dane dotyczące genomu, ale nasze analizy ujawniły skomplikowane powiązania między reakcjami środowiskowymi” – powiedział Jan de Vries, współautor do korespondencji z Uniwersytetu z Getyngi.

Badanie opublikowano w czasopiśmie Genetyka natury.

Źródło: Uniwersytet Nebraski w Lincoln