Aufklärung des Chara-Genoms: Implikationen für die Entstehung von Landpflanzen im Paläozoikum

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Anonim

Charophyceae, Verwandte von Landpflanzen, haben Genome, die wichtige Informationen liefern, um zu verstehen, wie sich Landpflanzen von ihren Vorfahren im Paläozoikum entwickelten. Hier berichten wir über den Entwurf des Genoms von Chara braunii aus Charophyceae und seinen Vergleich mit Landpflanzen, Klebsormidium nitens und anderen Grünalgen. Der Vergleich ergab den Erwerb von Genen vor und nach der Divergenz von Charophyceae in der Linie, die zu Landpflanzen führte, sowie innerhalb der Charophyceae.

Landpflanzen dominieren die terrestrische Flora und machen einen Großteil der Nahrungsmittelversorgung aus. Wie sich Landpflanzen aus Wasseralgen entwickelten, war ein Problem, das viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit auf sich zog. Im Jahr 2011 veröffentlichte Dr. Nishiyama einen Artikel in Zusammenarbeit mit anderen Forschern, die Chlamydomonas reinhardtii, das Moos Physcomitrella patens, eine Spikemoss-Art (Selaginella moellendorffii) und die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) verglichen. Der Vergleich ergab, dass nach der Trennung des Vorfahren der Landpflanzen von Chlamydomonas eine Reihe von Genen vor der Diversifizierung der Landpflanzen erworben wurde. Chlamydomonas und Landpflanzen sind jedoch mit einer Divergenzzeit von 1 Milliarde Jahren entfernt verwandt, so dass die Genomsequenzen von Grünalgen, die näher an Landpflanzen liegen, von klarem Interesse waren. Im Jahr 2014 veröffentlichten Dr. Hori und andere unter der Leitung von Prof. Ohta am Tokyo Institute of Technology die Genomsequenz von Klebsormidium nitens, einer filamentösen Grünalge, die näher an Landpflanzen ist als Chlamydomonas; Sie zeigten, dass Klebsormidium nitens Gene hat, die wichtig sind, um auf Land zu leben, das dem von Landpflanzen entspricht.

Drei Gruppen von Grünalgen sind evolutionär näher an Landpflanzen als Klebsormidiophyceae, dh Charophyceae, Coleochaetophyceae und Zygnematophyceae (1 und 2). Unter ihnen bilden die Charophyceae den komplexesten Körperplan mit Fortpflanzungsorganen, Antheridien und Oogonien. Tatsächlich legte Pringsheim in den 1860er Jahren nahe, dass Chara (zur Zeit in Charophyceae platziert) eng mit Landpflanzen verwandt ist. Zygnematophyceae gelten als die den Landpflanzen am nächsten liegende Linie, haben aber ein sexuelles Fortpflanzungssystem, in dem fast gleich große Keimzellen (Fortpflanzungszellen) zu Zygoten verschmelzen, anstatt mit einem großen Ei und einem kleinen schwimmenden Spermium Zelle. In der vorliegenden Studie enthüllen wir das Genom von Chara braunii, das vor 550 bis 750 Millionen Jahren von Landpflanzen getrennt wurde.

Hier beteiligten sich 60 Forscher aus 40 Institutionen aus 13 Ländern an der Genomanalyse von Chara Braunii, einem Vertreter der Charophyceae. Sie haben einen Genomsequenzentwurf erhalten, der für den Vergleich mit den Genomen anderer Organismen ausreicht. Der Entwurf der Genomsequenz ist bei der DNA Data Bank of Japan (DDBJ) hinterlegt und über die International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC) erhältlich.

Chara Braunii Individuen wurden am Lake Kasumigaura, Ibaraki und in Saijo City, Ehime, Japan gesammelt. Es wurden Stämme etabliert, die in Laboratorien gezüchtet und zur Genomanalyse verwendet werden können. Die Genomgröße wurde als groß geschätzt (etwa 2 Gbp, etwa zwei Drittel des menschlichen Genoms). Illumina-Sequenzer der nächsten Generation am National Institute of Genetics, Japan, wurden für den Großteil der Genomsequenzierung verwendet.

Nach dem Zusammenfügen roher Sequenzen zu Gerüsten wurden die Gerüstsequenzen, die anscheinend von Bakterien stammten, ausgeschlossen, und 1, 75 Gbp Gerüstsequenzen wurden erhalten. cDNA wurde in Escherichia coli an der Universität von Tokio kloniert (mRNA wurde in komplementäre DNA revers transkribiert), und die resultierende Bibliothek wurde zufällig ausgewählt und durch einen herkömmlichen Sequenzierer sequenziert, um kurze Untersequenzen, die exprimierte Sequenzmarkierung (EST), zu produzieren. Diese Daten wurden zusammen mit den Hochdurchsatz-Sequenzdaten verwendet, die von cDNA unter Verwendung von Illumina-Sequenzierern an der Universität von Tokio erhalten wurden, und anderen Daten, die von der europäischen Gruppe mit cDNA erhalten wurden, um die enthaltenen Gene vorherzusagen, und 35422 Genstrukturen wurden geschätzt.

Der letzte gemeinsame Vorfahre von Charophyceae und Landpflanzen wurde in dieser Studie geschätzt, um alle Gene zu besitzen, die von Landpflanzen für die Zellteilung bekannt sind, außer einem, TANGLED1. Unter den Genen, von denen bekannt ist, dass sie an der Phytohormon-Biosynthese und den Antworten von Landpflanzen beteiligt sind, wurde gefunden, dass Chara brauni alle Gene besitzt, die am Ethylen-Signal-System beteiligt sind, während Klebsormidium nitens ein Gen, EIN2, fehlt. Darüber hinaus hat Chara Braunii Gene, die für Aux / IAA und ARF, Transkriptionsfaktoren, die an der Auxinantwort beteiligt sind, kodieren. Diese Gene wurden in Klebsormidium nitens nicht gefunden.

Da andererseits der Rezeptor vom TIR1-Typ weder in Chara braunii noch in Klebsormidium nitens gefunden wird, können unbekannte Mechanismen in der Auxinantwort auftreten. Rezeptoren für Abscisinsäure (PYR), Jasmonsäure und Salicylsäure wurden nicht identifiziert, was darauf hindeutet, dass die in Landpflanzen gefundenen Rezeptoren wahrscheinlich nach der Trennung von Charophyceae und Landpflanzen gewonnen wurden. Darüber hinaus besitzt Chara brauni ein Ortholog von GUN1, einem Schlüssel des Systems zur Regulierung der Synthese von Chloroplastenproteinen durch die "retrograde" Signalübertragung von Chloroplast zu Zellkern, wie es in Landpflanzen zu sehen ist. Chara braunii besitzt mehr Transkriptionsfaktoren als andere Grünalgen, deren Genome bestimmt wurden.

Die morphologische Komplexität der Charophyceae könnte durch die Expansion von Genfamilien nach der Trennung von Landpflanzen entstanden sein; Daher sollte eine solche Ausdehnung von der von Landpflanzen unabhängig sein. Insbesondere sollten das reaktive Sauerstoffspezies (ROS) -Gen-Netzwerk, LysM-Rezeptor-ähnliche Kinasen und die Expansion von Trihelix-Transkriptionsfaktor-Familien erwähnt werden. Die Transkriptomanalyse sexueller Fortpflanzungsstrukturen zeigt eine komplizierte Kontrolle durch Transkriptionsfaktoren, Aktivität des ROS-Gen-Netzwerks und Proteine, die an der Speicherung von Nährstoffen beteiligt sind, und die angestammte Verwendung von pflanzenartigen Speicher- und Stressschutzproteinen in der Zygote.

Diese Analysen basierend auf der Genomsequenz von Chara Braunii zeigen, dass eine Vielzahl von Merkmalen, die für Landpflanzen für ihr Landleben wichtig sind, bereits in den gemeinsamen Vorfahren der Charophyceae und Landpflanzen existieren, was zeigt, dass diese Eigenschaften vor der Entstehung erworben wurden der ältesten Landpflanzen.

Die vorliegende Studie hat die Genomsequenz von Chara braunii erfolgreich aufgedeckt. Diese Sequenz kann in Entwicklungs- und genetischen Studien in Landpflanzen referenziert werden und zum Verständnis der Evolution von Landpflanzen beitragen. Da Chara-Zellen so groß sind, wurden sie für elektrophysiologische Untersuchungen mit einer Mikroelektrode zur Messung des Membranpotentials verwendet. Die Kenntnis seines Genoms wird nützlich sein, um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die solchen physiologischen Parametern zugrunde liegen.

Darüber hinaus ist Chara Braunii eine kosmopolitische Spezies, die in der ganzen Welt weit verbreitet ist, außer in der Antarktis, und ist ökologisch an eine Vielzahl von Umgebungen angepasst. Die in dieser Studie verwendeten Chara brauni-Stämme wurden am Kasumigaura-See in Ibaraki und in der Stadt Saijo in Ehime, Japan, gesammelt. Der aus dem Kasumigaura-See scheint an seichtes Wasser mit viel Licht angepasst zu sein, während der aus der Stadt Saijo anscheinend an tiefes Wasser mit niedrigerem Lichtniveau angepasst ist. Durch die Untersuchung der Genomsequenzen in Bezug auf verschiedene Umweltbedingungen kann es möglich sein, Anpassungsmechanismen zu analysieren und aufzuklären.

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