Elucidacija genoma Chara: Posledice nastanka kopenskih rastlin v paleozojski dobi

Anonim

Charophyceae, sorodniki kopenskih rastlin, imajo genome, ki predstavljajo pomembne informacije, da bi razumeli, kako so se kopenske rastline razvijale od svojih prednikov v paleozojski dobi. Tu poročamo o osnutku genoma Chara braunii iz Charophyceae in njegovi primerjavi s kopenskimi rastlinami, Klebsormidium nitens in drugimi zelenimi algami. Primerjava je razkrila pridobivanje genov pred in po razhajanju Charophyceae v rodu, ki vodi k kopenskim rastlinam, kot tudi v Charophyceae.

Zemljiške rastline prevladujejo kopenska flora in obsegajo večji del oskrbe s hrano. Kako so se kopenske rastline razvile iz vodnih alg je bila težava, ki je pritegnila veliko znanstvene pozornosti. Leta 2011 je dr. Nishiyama objavil članek v sodelovanju z drugimi raziskovalci, ki so primerjali Chlamydomonas reinhardtii, moss Physcomitrella patens, spikemoss species (Selaginella moellendorffii) in tale cress (Arabidopsis thaliana). Primerjava je pokazala, da je bilo po ločitvi prednikov kopenskih rastlin iz Chlamydomonasov pred diverzifikacijo kopenskih rastlin pridobljenih več genov. Vendar so klamidomoni in kopenske rastline daljnosežno povezani z razdaljnim časom 1 milijarde let, zato so bili jasni interesi sekvence zelenih alg, bližje kopnim rastlinam. Leta 2014 so dr. Hori in drugi, ki jih je vodil prof. Ohta na Tokijskem tehnološkem inštitutu, objavil zaporedje genoma Klebsormidium nitens, filamentozne zelene alge bližje kopnim rastlinam kot Chlamydomonas; so pokazali, da imajo Klebsormidium nitens geni, ki so pomembni za življenje na kopnem, enakovredne tistim v kopenskih rastlinah.

Tri skupine zelenih alg so evolucijsko bližje kopenskim rastlinam kot Klebsormidiophyceae, to je Charophyceae, Coleochaetophyceae in Zygnematophyceae (sliki 1 in 2). Med njimi so Charophyceae najbolj kompleksni načrt telesa s reproduktivnimi organi, anteridijo in oogonijo. Pravzaprav je leta 1860 Pringsheim predlagal, da je Chara (trenutno nameščena v Charophyceae) tesno povezana s kopenskimi rastlinami. Zygnematophyceae se štejejo za rodovke, ki so najbližje kopenskim rastlinam, vendar imajo sistem spolnega razmnoževanja, v katerem so gamete (reproduktivne celice), ki so skoraj enake velikosti v obliki varovalke za oblikovanje zigotov, namesto z velikim jajcem in majhno plavalno spermo celica. V tej študiji razkrivamo genom Chara braunii, za katerega se šteje, da je bil ločen od kopenskih rastlin od 550 do 750 milijonov let.

V analizi genoma Chara braunii, predstavnika Charophyceae, je sodelovalo 60 raziskovalcev iz 40 institucij iz 13 držav. Dobili so osnutek genoma zaporedja, ki zadostuje za primerjavo z genomi drugih organizmov. Osnutek genomskega zaporedja je shranjen v podatkovni banki DNK na Japonskem (DDBJ) in je na voljo prek mednarodne zbirke podatkov o nukleotidnih zaporedjih (INSDC).

Chara braunii posamezniki so bili zbrani na jezeru Kasumigaura, Ibaraki in v mestu Saijo, Ehime, Japonska. Ugotovili smo, da bi se lahko rodili v laboratorijih in uporabili za analizo genoma. Velikost genoma je bila ocenjena kot velika (približno 2 Gbp, približno dve tretjini človeškega genoma). Za večino sekvenciranja genomov so bili uporabljeni sekvencerji Illumina naslednje generacije na Nacionalnem inštitutu za genetiko na Japonskem.

Po sestavljanju surovih zaporedij v odre, so bile zaporedje oder, ki se je zdelo, da so izvirale iz bakterij, izključene in dobljeni so bili 1, 75 Gbp zaporedja oder. cDNA je bila klonirana v Escherichia coli na Univerzi v Tokiu (mRNA je bila prepisana v dopolnilno DNA) in nastala knjižnica je bila naključno izbrana in sekvencirana s konvencionalnim sekvenčnikom, da bi proizvedla kratke podskupine, izraženo zaporedno oznako (EST). Ti podatki so bili uporabljeni skupaj z visoko zmogljivimi podatkovnimi sekvencami, pridobljenimi iz cDNA, z uporabo Illumina sekvencerjev na Univerzi v Tokiu in drugimi podatki, pridobljenimi iz cDNA s strani evropske skupine, da bi napovedali vsebovane gene in ocenili 35.422 genskih struktur.

V zadnjem skupnem predniku Charophyceae in kopenskih rastlin smo v tej študiji ocenili, da imajo vse gene, ki so znane iz kopenskih rastlin za celično delitev, razen ene, TANGLED1. Med geni, za katere je znano, da so vključeni v biosintezo fitohormona in odzive zemeljskih rastlin, je bilo ugotovljeno, da ima Chara braunii vse gene, vključene v sistem za signalizacijo etilena, medtem ko Klebsormidium nitens manjka en gen, EIN2. Poleg tega je ugotovljeno, da ima Chara braunii gene, ki kodirajo Aux / IAA in ARF, transkripcijske faktorje, ki so vključeni v auxin odziv. Ti geni niso našli v Klebsormidium nitensu.

Po drugi strani pa, ker receptor tipa TIR1 ni znan niti v Chara braunii niti v Klebsormidium nitensu, lahko pri odzivu auxin deluje neznan mehanizem. Receptorji za abscisično kislino (PYR), jasmonsko kislino in salicilno kislino niso bili ugotovljeni, kar kaže na to, da so bili receptorji v kopenskih rastlinah verjetno pridobljeni po ločitvi Charophyceae in kopenskih rastlin. Poleg tega ima Chara braunii ortolog GUN1, ključ sistema, ki regulira sintezo beljakovin kloroplast z "retrogradnim" signaliziranjem iz kloroplasta v jedro, kot je razvidno iz kopenskih rastlin. Chara braunii ima več transkripcijskih faktorjev kot druge zelene alge, katerih genomi so bili določeni.

Morfološka kompleksnost Charophyceae je lahko izhajala iz razširitve genskih družin po ločitvi od kopenskih rastlin; tako bi morala biti taka širitev neodvisna od tiste v kopenskih rastlinah. Upoštevati je treba zlasti gensko mrežo reaktivnih vrst kisika (ROS), kinase, podobne receptorju LysM, in razširitev družin transkripcijskega faktorja triheliksa. Transkriptska analiza spolnih reproduktivnih struktur kaže na zapleten nadzor s transkripcijskimi faktorji, delovanjem genske mreže ROS in beljakovinami, ki so vključene v hranjenje hranilnih snovi in ​​prednikov uporabo rastlinskih skladišč in beljakovin za zaščito pred stresom v zigotah.

Te analize, ki temeljijo na zaporedju genoma genoma Chara braunii, kažejo, da v skupnih prednikih Charophyceae in kopenskih rastlin obstajajo številne lastnosti, pomembne za kopenske rastline za njihovo kopensko življenje, kar kaže, da so bile te lastnosti, značilne za kopenske rastline, pridobljene pred nastankom najstarejših kopenskih rastlin.

Ta študija je uspešno razkrila zaporedje genoma Chara braunii. To zaporedje je mogoče navesti v razvojnih in genetskih študijah v kopenskih rastlinah in prispevati k razumevanju razvoja kopenskih rastlin. Ker so Chara celice tako velike, so jih uporabili za elektrofiziološke raziskave z uporabo mikro-elektrode za merjenje membranskega potenciala. Znanje o njegovem genomu bo koristno razumevanje molekularnih mehanizmov, ki temeljijo na takih fizioloških parametrih.

Poleg tega je Chara braunii kozmopolitska vrsta, ki je razširjena po vsem svetu, razen na Antarktiki, in je ekološko prilagojena različnim okoljem. Vrste Chara braunii, uporabljene v tej študiji, so bile zbrane na jezeru Kasumigaura, Ibaraki in v mestu Saijo, Ehime, Japonska. Tisti iz jezera Kasumigaura se zdi, da je prilagojen plitvi vodi z obilno svetlobo, medtem ko je tisto iz mesta Saijo očitno prilagojeno globoki vodi z nižjimi svetlobnimi nivoji. Z preučevanjem zaporedij genoma v povezavi z različnimi okoljskimi pogoji je morda mogoče analizirati in pojasniti mehanizme prilagajanja.

menu
menu