我国科学家发现两个最新单细胞绿藻的基因组

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  A、B、C、D分别为轮藻科、鞘翅目、片麻岩科、苔类植物电镜图。 (资料图片)

  生命起源于海洋。但远古海洋中的绿藻,是何如登上陆地并演化成陆地上千姿百态的植物群落的?长期以来一个劲是科学界研究的焦点。

  日前,中国农业科学院基因组所合成生物学中心程时锋团队联合多位科学家发布一项重大成果:大伙儿发现了一一十个 多最新单细胞绿藻的基因组,成功揭示了其与陆地植物同去祖先,在5亿年前突破了干旱适应成功登陆的分子机制。

  地球上的生命从诞生,到海洋出显 ,再到出显 原核生命、真核生命,经历了数十亿年的漫长进化。长期以来,有关远古海洋中的绿藻,是何如登上陆地并演化成陆地上千姿百态的植物群落的问题报告 ,一个劲是科学界研究的焦点。

  日前,中国农业科学院基因组所合成生物学中心程时锋团队联合德国、加拿大、俄罗斯与深圳华大基因的科学家发布一项重大成果,联合团队发现了一一十个 多最新单细胞绿藻的基因组,揭示了其与陆地植物同去祖先在5亿年前突破了干旱适应成功登陆的分子机制。该成果已于11月14日在线发表于国际权威期刊《细胞》上。

  海洋生物的“登陆”之谜

  约15亿年前,当陆地上还不所处任何生命之时,海洋中出显 了都还里能进行光相互相互合作用的真核生命。此后的数亿年里,原始的藻类在海洋中小量形成。任何生命都不 进化、发展的本能,合适5亿至6亿年前,生活在海洋中的藻类现在刚开始蠢蠢欲动,向陆地进发,出显 了植物陆地化事件。

  这是一一十个 多漫长而僵化 的演化过程,从前生活在水中的藻类,何如适应土壤生存,为什么会么会获取水分、养分,有有哪些现在看起来好像很容易达成的能力,在数亿年前,是生命体进化过程中无法逾越的巨大鸿沟。

  在潮起潮落、沧海桑田的跌宕变迁中,地球上的地理生境也所处了巨大改变。江河湖泊、河床、近海泥沼、水坑等现在刚开始出显 ,其他地方的咸水慢慢演变成淡水。与此同去,藻类现在刚开始与土壤细菌混合互作,并发展出新的营养获取法子。又经过了数亿年的演变,有有哪些藻类进化出了维管植物、裸子植物、被子植物,并最终形成大伙儿今天千姿百态的陆生植物群。

  植物陆地化事件深刻改变了整个地球的生态系统,是地球下皮 “变绿”和多样性爆发的起点。它们为高等生命,包括人类,提供了包括氧气、食品、营养和火山玻璃药物等必需的物质基础。

  值得一提的是,在过去几十亿年的生命演化过程中,有多个类群的光合真核生物都曾突破干旱适应,成功登上陆地。但科学家们发现,几乎所有的化石与分子证据均表明,现存陆地植物的起源来源于一次单一登陆事件。也就是说,都还里能都还里能 有并不是类似于藻类的生命才是陆地植物的同去祖先。而其他藻类不言而喻也陆陆续续成功登陆并生存下去,比如大伙儿现在看一遍的硅藻、蓝藻等,但它们不足英文进一步向更高等价值形式进化的能力,否则 都不 陆地植物的同去祖先。

  全世界的植物分人学家和进化学家们在不同地区做过不同程度的研究,分析过最简单原始的基部陆地植物,如藓、苔、角苔类植物,将会有有哪些植物生活在水与陆地接壤或是潮湿的地方,最接近数亿年前藻类登陆的情境。

  在此基础上,科学家们最终将答案锁定在轮藻目、鞘毛藻目,以及价值形式简单得多的双星藻纲中。这十个 类目的藻类,究竟谁才是陆地植物同去的祖先?对于有并不是问题报告 ,科学界一个劲这麼停止过争论。

  “当大伙儿无法将正确的物种定位到正确的系统发育树上时,就无法很好地回答全都生物学和进化问题报告 。”程时锋说,弄清楚所处在5亿年前的植物祖先陆地化的分子机制,是一件很困难却很有趣的事情。

  不起眼的“逆袭者”

  2015年,程时锋团队从德国科隆大学藻种中心获取了双星藻纲中的一一十个 多物种,在深圳华大基因进行了“身份识别”,并于2016年底正式获得基因组序列等基础数据。从此,藏在什儿 一十个 多物种基因里长达十多亿年的秘密,终于逐渐呈现在科学家的转过身,一部漫长的藻类登陆史初现端倪。

  科学家们通过系统分类与比较进化基因组学研究,证实了其中之一的绿藻Spirogloea muscicola(尚无中英文译名),简直是属于一一十个 多全新的物种,否则 它是双星藻纲最早分化出来的,最接近陆地植物同去祖先的基部物种。

  有并不是结论令人惊讶:这意味着着 ,在该成果发表然后,大伙儿一个劲我就是知道陆地植物真正祖先的基因组长啥样。更为意外的是,双星藻纲的大多数物种是以单细胞或简单的丝状形式所处,这也就解释了,为什么会么会然后在植物同去祖先上科学界有着全都争议——将会全都科学家倾向于把更像高等陆地植物的僵化 苔藓或轮藻或鞘毛藻,当成陆地植物将会的祖先,而忽略了有并不是外形价值形式相对简单的双星藻纲。显然,在事实转过身,有并不是最不起眼的种类最终成为“逆袭者”。

  团队进一步发现,与其他分支的绿藻相比,双星藻纲基因组具有更多与抗逆、抗干旱、抗强紫外线等相关的转录因子,与陆地植物共享着小量然后被认为是陆地植物才特有的核心基因家族,如植物激素、与细菌/真菌共生等,其细胞壁的价值形式也更接近于陆地植物。

  “这表明,在登陆然后,双星藻纲祖先的基因组和遗传代谢将会有了相当的基因组创新,获得了小量新基因或家族扩增,为适应陆生生活做好了遗传物质准备。”程时锋说。

  另外一一十个 多让科学家们感到意外的发现是,团队在Spirogloea muscicola基因组中检测到了一次显著的近期全基因组三倍化事件。“基因或全基因组倍化是生命由简单到僵化 演化的重要动力之一,否则 有并不是问题报告 在藻类中极其少见。”程时锋说,此次团队捕捉到的有并不是多倍化信号,是近期所处的,但也暗示了Spirogloea有并不是门类将会一个劲拥有有并不是多倍化的能力,是有助其陆地化的重要影响因素。然而,登陆然后的古老多倍化事件不是所处?依然前要进一步研究。

  从细菌中“借来”的基因

  绝大多数情况表下,基因是垂直传递的,即父辈传给子辈,水平之间的基因极难传递,就好比植物的基因无论何如也无法传递到动物体内。

  而在此次研究中,科学家们发现,此次测序的一一十个 多双星藻基因组的祖先简直从土壤细菌中“偷”或“借”来了一一十个 多关键基因:GRAS和PYL,这是陆地植物祖先适应陆地生境的关键分子信号。其中,GRAS是植物研究中的“明星基因”之一,它非常“多才多艺”,与植物生长、发育和抗逆等全都重要代谢途径相关。GRAS家族中的NSP1、NSP2、RAM1等亚家族是调控菌枝丛根、结瘤共生固氮等植物生理生态过程非常重要的转录因子。PYL基因则是脱落酸ABA遗传通路中重要的受体因子。此前,有有哪些基因和功能一个劲被科学界认为都还里能都还里能 陆地植物才特有。而团队首次在该研究中将其“祖先的根”追溯到了双星藻纲的一一十个 多基因组上,并证明其起源于一次从土壤细菌中来的水平基因转移事件HGT。否则 ,通过分子系统进化分析发现,该HGT事件所处的时间约为5.8亿年前,正好与植物陆地化的化石时间吻合。

  HGT事件是一一十个 多长期具有争议性说说题。全都研究认为,该问题报告 仅所处于原核生命中,如细菌之间,从细菌到高等真核生物的HGT事件极其罕见,且一般将会年代久远,先要证实。近些年,陆续有报道所处在高等植物中的HGT事件。

  此次,程时锋团队在高质量纯化样品和精细的序列分析保障下,排除了细菌污染的将会,验证了基因组组装、注释、真核基因价值形式和表达的数据可靠性,最后通过大规模基因组比较系统发育树分析,利用不同数据矩阵、不同软件、不同算法和分子模型,均得到一致的暗示HGT事件的拓扑价值形式,证实了GRAS/PYL从细菌转移至双星藻纲与陆地植物同去祖先的HGT事件。

  据推测,该HGT事件是陆地植物祖先获得功能与适应性上“历史性飞跃”的关键一步,为然后的5亿年中,绿色植物逐渐占领地球扮演了极其重要的角色。

  “这表明,自然界中所处的‘转基因’,或自发性的遗传工程事件,是所处的。”程时锋笑言道,“将会有時光匆匆机带着大伙儿回到5亿多年前,或许是个不错的体验,大伙儿还都还里能现场做一一十个 多转基因验证实验。”

  否则 ,生命的演化是极其僵化 的,有全都综合影响的因素。“重要的是,大伙儿找到了系统比较进化基因组学有并不是极其有效的基因发现手段,即便利用现存的有限物种和数据,都还里能帮助大伙儿研究全都亿万年前的、深度1同源或平行演化性状起源的分子规律。从大自然多样性的物种资源中获得启发,进行目标功能基因发现与挖掘,是如今农业育种家们前要重视的重要一步。”程时锋补充道。

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