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,是如可登上陆地并演化成陆地上千姿百态的植物群落的?长期以来老本来科学界研究的焦点。

  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:让让我们 歌词 发现了另一一俩个最新单细胞绿藻的基因组,成功揭示了其与陆地植物并肩祖先,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,到海洋老是出显,再到老是出显原核生命、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,是如可登上陆地并演化成陆地上千姿百态的植物群落的大大问题,老本来科学界研究的焦点。

  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,联合团队发现了另一一俩个最新单细胞绿藻的基因组,揭示了其与陆地植物并肩祖先在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,当陆地上还不位于任何生命之时,海洋中老是出显了还时需进行光企业合作用的真核生命。此后的数亿年里,原始的藻类在海洋中少许形成。任何生命都是进化、发展的本能,要花费5亿至6亿年前,生活在海洋中的藻类始于了了蠢蠢欲动,向陆地进发,老是出显了植物陆地化事件。

  这是另一一俩个漫长而复杂的演化过程,曾经 生活在水中的藻类,如可适应土壤生存,如可 获取水分、养分,那先 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位于了巨大改变。江河湖泊、河床、近海泥沼、水坑等始于了了老是出显,这一地方的咸水慢慢演变成淡水。与此并肩,藻类始于了了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,那先 藻类进化出了维管植物、裸子植物、被子植物,并最终形成让让我们 歌词 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,是地球表皮 “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、营养和全天然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。也本来我 说,只有某种 类似 藻类的生命才是陆地植物的并肩祖先。而这一藻类虽然也陆陆续续成功登陆并生存下去,比如让让我们 歌词 现在看后的硅藻、蓝藻等,但它们不足英文进一步向更高等特性进化的能力,本来我 都是陆地植物的并肩祖先。

  全世界的植物分专学 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,将会那先 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,以及特性简单得多的双星藻纲中。这一个类目的藻类,究竟谁才是陆地植物并肩的祖先?对于某种 大大问题,科学界老是没有停止过争论。

  “让让我们 歌词 歌词 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大大问题。”程时锋说,弄清楚位于在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另一一俩个物种,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,藏在某种 个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身前,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),岂都是是属于另一一俩个全新的物种,本来我 它是双星藻纲最早分化出来的,最接近陆地植物并肩祖先的基部物种。

  某种 结论令人惊讶:这原因,在该成果发表但是 ,让让我们 歌词 老是谁能谁能告诉我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位于,这也就解释了,如可 会 但是 在植物并肩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复杂苔藓或轮藻或鞘毛藻,当成陆地植物将会的祖先,而忽略了某种 外形特性相对简单的双星藻纲。显然,在事实身前,某种 最不起眼的种类最终成为“逆袭者”。

  团队进一步发现,与这一分支的绿藻相比,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,与陆地植物共享着少许但是 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,其细胞壁的特性也更接近于陆地植物。

  “这表明,在登陆但是 ,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,获得了少许新基因或家族扩增,为适应陆生生活做好了遗传物质准备。”程时锋说。

  另外另一一俩个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复杂演化的重要动力之一,本来我 某种 大大问题在藻类中极其少见。”程时锋说,此次团队捕捉到的某种 多倍化信号,是近期位于的,但也暗示了Spirogloea某种 门类将会老是拥有某种 多倍化的能力,是能够其陆地化的重要影响因素。然而,登陆但是 的古老多倍化事件是是是否是是位于?依然时需进一步研究。

  从细菌中“借来”的基因

  绝大多数情况下,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如可也无法传递到动物体内。

  而在此次研究中,科学家们发现,此次测序的另一一俩个双星藻基因组的祖先岂都是从土壤细菌中“偷”或“借”来了另一一俩个关键基因: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,那先 基因和功能老是被科学界认为只有陆地植物才特有。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另一一俩个基因组上,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。本来我 ,通过分子系统进化分析发现,该HGT事件位于的时间约为5.8亿年前,正好与植物陆地化的化石时间吻合。

  HGT事件是另一一俩个长期具有争议性一句话题。全都研究认为,该大大问题仅位于于原核生命中,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,真难证实。近些年,陆续有报道位于在高等植物中的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、真核基因特性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事件的拓扑特性,证实了GRAS/PYL从细菌转移至双星藻纲与陆地植物并肩祖先的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,为本来我 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,自然界中位于的‘转基因’,或自发性的遗传工程事件,是位于的。”程时锋笑言道,“将会有往事机带着让让我们 歌词 回到5亿多年前,或许是个不错的体验,让让我们 歌词 还还时需现场做另一一俩个转基因验证实验。”

  本来我 ,生命的演化是极其复杂的,有全都综合影响的因素。“重要的是,让让我们 歌词 找到了系统比较进化基因组学某种 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,不可不都都上能帮助让让我们 歌词 研究全都亿万年前的、强度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时需重视的重要一步。”程时锋补充道。