Elucidace Chara genomu: Důsledky pro vznik půdních rostlin v paleozoické éře

Anonim

Charophyceae, příbuzní půdních rostlin, mají genomy, které představují důležité informace, aby pochopili, jak se rostliny půdy vyvíjely od svých předků v paleozoické éře. Zde uvádíme návrh genomu Chara braunii z Charophyceae a jeho srovnání s půdními rostlinami, Klebsormidium nitens a dalšími zelenými řasami. Srovnání odhalilo získávání genů před a po odchylce Charophyceae v líniích vedoucích k půdním rostlinám, stejně jako v rámci Charophyceae.

Pozemky rostou na pozemské rostlině a tvoří podstatnou část zásobování potravinami. Jak rostliny půdy vznikly z vodních řas byly problémem, který přitahoval vědeckou pozornost. V roce 2011 publikoval Dr. Nishiyama článek ve spolupráci s dalšími výzkumníky porovnávajícími Chlamydomonas reinhardtii, mach Physitotrella patens, druhu spikemosa (Selaginella moellendorffii) a thail cress (Arabidopsis thaliana). Srovnání ukázalo, že po oddělení předků půdních rostlin od Chlamydomonas bylo získáno několik genů před diverzifikací půdních rostlin. Nicméně, Chlamydomonas a půdní rostliny jsou vzdáleně příbuzné, s divergencí čas 1 miliardy let, takže genomové sekvence zelených řas, blíže k rostlinám půdy, byl jasný zájem. V roce 2014 Dr. Hori a další, vedené prof. Ohta v Tokijském technologickém institutu, publikovali genomovou sekvenci Klebsormidium nitens, vláknitou zelenou řasou blíže k rostlinám půdy než Chlamydomonas; ukázaly, že Klebsormidium nitens má geny důležité pro život na půdě ekvivalentní půdním rostlinám.

Tři skupiny zelených řas jsou evolučně blíže k rostlinám půdy než Klebsormidiophyceae, tedy Charophyceae, Coleochaetophyceae a Zygnematophyceae (obr. 1 a 2). Mezi nimi Charophyceae tvoří nejsložitější tělesný plán s reprodukčními orgány, antheridií a oogonií. Ve skutečnosti v šedesátých letech minulého století Pringsheim navrhl, že Chara (v současnosti umístěná v Charophyceae) je úzce spojena s půdními rostlinami. Zygnematophyceae jsou považovány za existující linie nejblíže půdním rostlinám, ale mají systém sexuální reprodukce, ve kterém se opírají o gamety (reprodukční buňky), které mají téměř stejnou velikost v pojistkách, aby tvořily zygoty, spíše než s velkým vajíčkem a malým plaveckým spermatem buňka. V této studii odhalujeme genom Chara braunii, který se považuje za oddělený od půdních rostlin 550 až 750 milionů let.

Zde se na genomové analýze Chara braunii, zástupce Charophyceae, podílelo 60 výzkumníků z 40 institucí ze 13 zemí. Získali senzitivní genomovou sekvenci dostatečnou pro srovnání s genomy jiných organismů. Návrh sekvence genomu je uložen v DNA Data Bank of Japan (DDBJ) a je dostupný prostřednictvím Mezinárodní spolupráce se sekvenčními databázemi (INSDC).

Chara braunii jednotlivci byli shromážděni u jezera Kasumigaura, Ibaraki a ve městě Saijo, Ehime, Japonsko. Byly zavedeny kmeny, které by mohly být pěstovány v laboratořích a použity pro genomovou analýzu. Velikost genomu byla odhadnuta na velikost (přibližně 2 Gbp, asi dvě třetiny lidského genomu). Následující generace Illumina sekvencerů v Národním institutu genetiky, Japonsko, byly použity pro většinu genomového sekvenování.

Po sestavení surových sekvencí do lešení byly vyloučeny sekvence lešení, které se zdály pocházet z bakterií, a bylo získáno 1, 75 Gbp sekvencí lešení. cDNA byla klonována v Escherichia coli na univerzitě v Tokiu (mRNA byla reverzní transkribována do komplementární DNA) a výsledná knihovna byla náhodně vybrána a sekvenována konvenčním sekvencerem za vzniku krátkých subsekvencí, expresní sekvenční značky (EST). Tato data byla použita společně s vysoce výkonnými sekvenčními daty získanými z cDNA pomocí Illumina sequencerů na univerzitě v Tokiu a dalších údajů získaných z cDNA evropskou skupinou k předpovídání obsažených genů a bylo odhadnuto 35 422 genových struktur.

Poslední společný předchůdce Charophyceae a půdních rostlin se v této studii odhadoval, že má všechny známé geny z půdních rostlin pro buněčné dělení kromě jednoho, TANGLED1. Mezi geny, o kterých bylo známo, že se podílejí na biosyntéze fytohormonu a na reakcích půdních rostlin, bylo zjištěno, že Chara braunii má všechny geny zapojené do systému signalizace etylénu, zatímco Klebsormidium nitens postrádá jeden gen, EIN2. Navíc je zjištěno, že Chara braunii má geny kódující Aux / IAA a ARF, transkripční faktory podílející se na auxinové odpovědi. Tyto geny nebyly nalezeny v Klebsormidium nitens.

Na druhou stranu, jelikož receptor typu TIR1 se nenachází ani v Chara braunii ani v Klebsormidium nitens, mohou existovat neznámé mechanismy působící v odpovědi auxinu. Receptory pro kyselinu abscisovou (PYR), kyselinu jasmonovou a kyselinu salicylovou nebyly identifikovány, což naznačuje, že receptory nacházející se v půdních rostlinách byly pravděpodobně získány po oddělení Charophyceae a půdních rostlin. Dále má Chara braunii ortologa GUN1, klíč systému pro regulaci syntézy chloroplastových proteinů "retrográdní" signalizací z chloroplastu na jádro, jak je vidět v půdních rostlinách. Chara braunii má více transkripčních faktorů než jiné zelené řasy, jejichž genomy byly určeny.

Morfologická složitost Charophyceae může pocházet z rozšíření genových rodin po oddělení od půdních rostlin; tak by takové rozšíření mělo být nezávislé na rozšíření půdních rostlin. Zejména je třeba uvést genové sítě reaktivních druhů kyslíku (ROS), kinázy podobné receptoru LysM a rozšíření rodin triplexového transkripčního faktoru. Transcriptomická analýza sexuálních reprodukčních struktur odhaluje komplikovanou kontrolu transkripčními faktory, aktivitou sítě ROS genů a bílkovinami podílejícími se na skladování živin a předchůdcem použití rostlinných proteinů pro skladování a ochranu proti stresu v zygote.

Tyto analýzy založené na sekvenci genomu Chara braunii naznačují, že řada znaků důležitých pro pozemní rostliny pro jejich pozemský život již existuje ve společných předcích Charophyceae a půdních rostlin, což odhaluje, že tyto zvláštnosti pozemských rostlin byly získány před vznikem z nejstarších půdních rostlin.

Tato studie úspěšně odhalila genomovou sekvenci Chara braunii. Tuto sekvenci lze odkázat ve vývojových a genetických studiích v půdních rostlinách a přispět k pochopení vývoje půdních rostlin. Vzhledem k tomu, že buňky Chara jsou tak velké, používají se k elektrofyziologickým studiím s použitím mikroelektrody pro měření membránového potenciálu. Znalost jeho genomu bude prospěšné pochopení molekulárních mechanismů, které tyto fyziologické parametry spočívají.

Navíc, Chara braunii je kosmopolitní druh, který se rozšiřuje po celém světě s výjimkou Antarktidy a je ekologicky přizpůsoben různým prostředím. Chara braunii kmeny použité v této studii byly shromážděny u jezera Kasumigaura, Ibaraki a ve městě Saijo, Ehime, Japonsko. Ten z jezera Kasumigaura se zdá být přizpůsoben plytké vodě s bohatým světlem, zatímco ten z města Saijo je zřejmě přizpůsoben hluboké vodě s nižší úrovní světla. Studiem genomových sekvencí ve vztahu k různým podmínkám prostředí může být možné analyzovat a objasnit adaptační mechanismy.

menu
menu