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早期植物谱系的基因组分析揭示了植物如何在陆地上茁壮成长

虽然它遍布世界各地,但很容易忽视常见的地钱 - 植物可以放在手掌中,看起来由平坦,重叠的叶子组成。尽管这些植物没有前景,但这些没有根或维管组织的植物可以传播营养物质,这些植物与从海洋中发现的藻类到已建立的大量陆地植物的过渡有着密切的联系。

早期植物谱系的基因组分析揭示了植物如何在陆地上茁壮成长

据美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI),美国能源部科学用户设施办公室的研究人员在2017年10月5日发表的Cell报告,分析了普通地钱(Marchantia polymorpha)的基因组序列。)确定被认为对植物进化至关重要的基因和基因家族,并在数百万年和植物谱系中得到保护。这项工作由澳大利亚莫纳什大学,京都大学和日本金德大学的研究人员领导。

DOE JGI工厂项目主管Jeremy Schmutz表示,“像苔藓这样的早期植物是世界上陆生植物的基础。没有它们,我们就不会有离海洋和淡水超过两英尺的植物。”“在回到苔类中时,我们发现基因与作为候选基因的禾草共享用于生物燃料生产的作物。陆地植物开始于今天在Marchantia中存在相同的部分,因此变化都是由于诸如进化,多倍体,基因交换和选择轮次等因素。我们想知道基因是做什么的,我们通过使用保守序列跨基因组翻译功能来做到这一点。较小的基因组具有较低的复杂性 - 例如基础或早期植物模型(如地钱)中的基因组,使我们能够识别基因或基因家族的祖先基因。我们确定植物中的基因功能并确定该基因的工作原理,然后通过了解植物历史中基因或基因家族的进化历史来识别其他基因。

基因组测序和注释通过DOE JGI的社区科学计划完成,并允许与DOE JGI测序和分析的其他早期植物谱系进行基因组比较:Spikemoss Selaginella moellendorffi和苔藓Physcomitrella专利。最重要的生物化学途径之一涉及激素生长素的产生,其对于调节植物生长和发育是至关重要的。该团队确定了一种最小但完整的苔藓生长素生物合成途径。另一项发现表明,编码产生“防晒剂”的酶的基因可能已经从古老的土壤微生物中转移,这些基因使早期植物能够耐受紫外线。

该团队最重要的发现之一涉及植物细胞壁的发育。在Marchantia中发现的编码用于植物细胞壁发育的酶的各种基因强调了植物细胞壁对向陆生植物过渡的重要性。该团队发现了与Physcomitrella相似的早期木质素生物合成基因。虽然他们发现参与胞间连丝形成的基因(胞间连丝是涉及营养和信号分子转移的膜通道)是一种参与细胞分裂的途径,但他们还发现,地苔保留了早于陆地植物特异性途径的细胞分裂途径的残余。

另一个重要发现涉及保水和分配。早期的植物必须制定处理干旱和干燥的策略,现代植物仍然采用许多这些相同的策略。脱落酸是一种植物胁迫激素,当水短缺时,当植物进入休眠状态时进行调节。该团队发现了脱落酸生物合成的同源基因,并且还能够确定特定受体何时成为陆生植物家族的关键。

Schmutz指出,通过社区科学计划,DOE JGI对植物进化历史的探索正在扩大,导致比较基因组学框架的发展,包括来自像苔藓这样的早期植物谱系的框架,这对整个植物研究界有益。“我们越多地在早期植物谱系中积累这些信息,就越容易将植物功能转移到植物系统发育中,并比较植物家族以观察这些基因的辐射。我们将更多地关注植物的基础谱系。了解基因的进化历史和位置。如果我们能够理解这些基因的起源,那么我们就能理解历史功能。拥有多个物种可以让我们做更多的事情并展示出比仅仅一个基因组更多的东西。“

通过学习基因的原始功能,从早期,更简单的植物和细胞的基因组中阐明,科学家可以更容易地解决在更复杂的植物中看到的相关基因的功能,这可能有助于解决生物能源和环境过程中的DOE任务。

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