הבהרת הגנום Chara: השלכות על הופעתה של צמחי קרקע בעידן Paleozoic

Evolution Clarification (יוני 2019).

Anonim

Charophyceae, קרובי משפחה של צמחי קרקע, יש גנומים המציגים מידע חשוב כדי להבין כיצד צמחים קרקע התפתחו מאבותיהם בתקופה הפליוזואית. כאן, אנו מדווחים על טיוטת הגנום של Chara braunii מ Charophyceae, והשוואתה צמחי קרקע, Klebsormidium nitens, אצות ירוקות אחרות. ההשוואה חשפה רכישת גנים לפני ואחרי ההבדלים של Charophyceae בשושלת המובילה צמחים הקרקע, כמו גם Charophyceae.

צמחי קרקע שולטים בצמחייה הארצית, והם מהווים חלק ניכר מאספקת המזון. איך צמחים קרקע התפתחו אצות מים כבר בעיה למשוך תשומת לב מדעית רבה. בשנת 2011, ד"ר Nishiyama פירסם מאמר בשיתוף עם חוקרים אחרים המשווים בין Chlamydomonas reinhardtii, פטמוסמיס פטנס פטנס, מין spikemoss (Selaginella moellendorffii) ואת גביע thale (ארבידופסיס thaliana). מן ההשוואה עולה כי לאחר הפרידה בין אבות הצמחים היבשים מחלמידיונוס, נרכשו מספר גנים לפני גיוון הצמחים. עם זאת, Chlamydomonas וצמחים הקרקע קשורים מרחוק, עם זמן של סטייה של 1 מיליארד שנים, כך רצפי הגנום של אצות ירוקות, קרוב יותר לצמחים הקרקע, היה עניין ברור. בשנת 2014, ד"ר Hori ואחרים בראשות פרופ 'Ohta במכון הטכנולוגי של טוקיו פירסם את רצף הגנום של nebs קלבסורמידיום, אצה ירוקה נימה קרוב יותר לצמחים אדמה מאשר Chlamydomonas; הם הראו כי clbsormidium nitens יש גנים חשוב עבור החיים על הקרקע שווה לאלה של צמחים הקרקע.

שלוש קבוצות של אצות ירוקות קרובות יותר מבחינה אבולוציונית לצמחי קרקע מאשר לקלבסורמידיאופייאסי, כלומר, צ'רופיצ'ה, קולוכטופיפיצ'י וזיגנמטופיפי (איורים 1 ו -2). ביניהם, Charophyceae מהווים את תוכנית הגוף המורכבת ביותר עם אברי הרבייה, antheridia ו oogonia. למעשה, בשנות ה -60 של המאה ה -19, פרינגסהיים הציע שצ'ארה (שמוצבת כיום בחארופיסי) קשורה קשר הדוק למפעלי קרקע. Zygnematophyceae נחשבים לשושלת הקיימת הקרובה ביותר לצמחי היבשה, אך יש להם מערכת רבייה מינית, שבה הגמטות (תאי הרבייה) ששוויו כמעט בגודלן מתמזגות ליצירת זיגוטים, ולא עם ביצה גדולה וזרע שחייה קטן תָא. במחקר הנוכחי, אנו חושפים את הגנום של Chara braunii, אשר נחשב להפריד צמחים קרקע 550-500 מיליון שנה.

כאן, 60 חוקרים מ 40 מוסדות של 13 מדינות השתתפו בניתוח הגנום של Chara braunii, נציג Charophyceae. הם השיגו טיוטת גנום טיוטה מספיק כדי להשוות עם הגנום של אורגניזמים אחרים. טיוטת רצף הגנום מופקדים בנק הנתונים DNA של יפן (DDBJ) וזמין באמצעות שיתוף פעולה בינלאומי רצף נוקליאוטידים מסד נתונים (INSDC).

Chara braunii אנשים נאספו אגם Kasumigaura, Ibaraki ו ב Saijo העיר, Ehime, יפן. נקבעו זנים שניתן לגדל אותם במעבדות ומשמשים לניתוח גנום. גודל הגנום הוערך כגדול (כ -2 Gbp, כשני שלישים מהגנום האנושי). הדור הבא של Illumina ברצפים במכון הלאומי לגנטיקה, יפן, שימשו עבור רוב רצף הגנום.

לאחר הרכבת רצפים גולמיים לתוך פיגומים, רצפי הפיגום שנראה כי מקורם חיידקים נכללו, ו 1.75 Gbp של רצפים הפיגומים התקבלו. cDNA היה משובטים ב Escherichia coli באוניברסיטת טוקיו (mRNA היה הפוך transcribed לדנ"א משלימה) ואת הספרייה שהתקבל נבחר באופן אקראי רצף על ידי ברצף קונבנציונלי לייצר רצפי משנה קצרים, רצף ביטוי לידי ביטוי (EST). נתונים אלה שימשו יחד עם נתונים רצף תפוקה גבוהה המתקבל cDNA באמצעות ברצפים Illumina באוניברסיטת טוקיו ונתונים אחרים המתקבלים CDNA על ידי הקבוצה האירופית לחזות את הגנים הכלולים, ו 35, 422 מבנים גן נאמדו.

אב קדמון משותף האחרון של Charophyceae וצמחים קרקע נאמד, במחקר זה, להחזיק את כל הגנים הידועים צמחים קרקע עבור חלוקה התא למעט אחד, TANGLED1. בין הגנים הידועים כמעורבים בביוסינתזה של פיטוהורמון ובתגובות של צמחי קרקע, נמצאה Chara braunii בעלת כל הגנים המעורבים במערכת איתות האתילן, בעוד שלניצני Klebsormidium אין גן אחד, EIN2. בנוסף, Chara braunii נמצא כי יש גנים קידוד Aux / IAA ו ARF, גורמי שעתוק המעורבים בתגובה אוקסין. גנים אלה לא נמצאו בקליבסורמידיום.

מאידך גיסא, מכיוון שקולטן TIR1 אינו נמצא ב - Chara braunii או ב - Klebsormidium nitens, עשויים להיות מנגנונים לא ידועים הפועלים בתגובה אוקסין. קולטנים לחומצה אבציסית (PYR), חומצה jasmonic, וחומצה סליצילית לא זוהו, מה שמעיד על כך קולטנים שנמצאו צמחים הקרקע היו כנראה זכה לאחר ההפרדה של Charophyceae וצמחי קרקע. יתר על כן, Chara braunii יש אורתולוגיה של GUN1, מפתח של המערכת כדי לווסת את הסינתזה של חלבונים chloroplast ידי איתות "מדרדר" מ chloroplast לגרעין כפי שניתן לראות צמחים הקרקע. Chara braunii יש יותר גורמי שעתוק מאשר אצות ירוקות אחרות שהגנומים שלהם נקבעו.

המורפולוגיה המורפולוגית של Charophyceae ייתכן שמקורם בהרחבה של משפחות גנים לאחר הפרידה מן הצמחים בארץ; ולכן, התרחבות כזו צריכה להיות עצמאית מזו של צמחים קרקעיים. בפרט, מינים חמצן תגובתי (ROS) רשת, Kysases LysM דמויי קולטן והרחבה של משפחות trihelix גורם שעתוק יש לציין. ניתוח transcriptomic של מבנים הרבייה המינית מגלה שליטה מורכבת על ידי גורמי שעתוק, פעילות של רשת גנים ROS, חלבונים המעורבים אחסון של חומרים מזינים את השימוש אבות של אחסון דמוי צמח וחלבונים להגנה על הלחץ בזיגוטה.

ניתוחים אלה, המבוססים על רצף הגנום של Chara braunii, מראים כי מגוון תכונות חשוב למפעלי קרקע לחייהם הארציים כבר קיימים באבותיהם המשותפים של הצ'רופיצ'ים וצמחי היבשה, אשר מגלה כי תכונות אלו ייחודיות לצמחים היבשתיים נרכשו לפני הופעתה של צמחי האדמה העתיקים ביותר.

המחקר הנוכחי גילה בהצלחה את רצף הגנום של Chara braunii. ניתן להתייחס לרצף זה במחקרים התפתחותיים וגנטיים במפעלי קרקע, ולתרום להבנת האבולוציה של צמחי קרקע. מאז תאים Chara הם כל כך גדול, הם שימשו ללימודי אלקטרו באמצעות מיקרו-אלקטרודה כדי למדוד את פוטנציאל הממברנה. הידע של הגנום שלה יהיה הבנה מועילה המנגנונים המולקולריים הבסיסית פרמטרים פיזיולוגיים כאלה.

בנוסף, Chara braunii הוא מין קוסמופוליטי המופץ ברחבי העולם, למעט באנטארקטיקה, והוא מותאם מבחינה אקולוגית למגוון של סביבות. Chara braunii זנים המשמשים במחקר זה נאספו אגם Kasumigaura, Ibaraki ו ב Saijo העיר, Ehime, יפן. אחד מאגם קסומיגאורה נראה מתאים מים רדודים עם אור שופע, בעוד אחד מן העיר Saijo הוא הסתגל כנראה מים עמוקים עם רמות אור נמוכות. על ידי לימוד רצפי הגנום ביחס לתנאים סביבתיים שונים, ניתן לנתח ולהבהיר מנגנוני הסתגלות.

menu
menu