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,是咋样登上陆地并演化成陆地上千姿百态的植物群落的?长期以来总是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:亲戚亲戚亲们发现了有有五个 最新单细胞绿藻的基因组,成功揭示了其与陆地植物同時 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,到海洋老出,再到老出原核生命、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,是咋样登上陆地并演化成陆地上千姿百态的植物群落的疑问,总是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,联合团队发现了有有五个 最新单细胞绿藻的基因组,揭示了其与陆地植物同時 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,当陆地上还不地处任何生命之时,海洋中老出了还要进行光相互战略合作用的真核生命。此后的数亿年里,原始的藻类在海洋中小量形成。任何生命有的是进化、发展的本能,合适5亿至6亿年前,生活在海洋中的藻类结束了蠢蠢欲动,向陆地进发,老出了植物陆地化事件。

  这是有有五个 漫长而繁复的演化过程,就说 生活在水中的藻类,咋样适应土壤生存,为甚在么在获取水分、养分,什么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地处了巨大改变。江河湖泊、河床、近海泥沼、水坑等结束了老出,其他地方的咸水慢慢演变成淡水。与此同時 ,藻类结束了与土壤细菌混合互作,并发展出新的营养获取法律方法。又经过了数亿年的演变,什么藻类进化出了维管植物、裸子植物、被子植物,并最终形成亲戚亲戚亲们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,是地球表下皮 层“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、营养和火山岩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。也就说 说,只本身生活生活之类藻类的生命才是陆地植物的同時 祖先。而其他藻类随便说说 也陆陆续续成功登陆并生存下去,比如亲戚亲戚亲们儿现在看得人的硅藻、蓝藻等,但它们缺乏进一步向更高等内部人员进化的能力,其他有的是陆地植物的同時 祖先。

  全世界的植物分科学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,可能性什么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,以及内部人员简单得多的双星藻纲中。这五个类目的藻类,究竟谁才是陆地植物同時 的祖先?对于你这人 疑问,科学界总是越来越停止过争论。

  “当亲戚亲戚亲们儿无法将正确的物种定位到正确的系统发育树上时,就无法很好地回答就说 生物学和进化疑问。”程时锋说,弄清楚地处在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有有五个 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,藏在这有有五个 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面前,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),果果真属于有有五个 全新的物种,其他它是双星藻纲最早分化出来的,最接近陆地植物同時 祖先的基部物种。

  你这人 结论令人惊讶:这导致 分析,在该成果发表时候,亲戚亲戚亲们总是我不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地处,这也就解释了,为甚在么在在时候在植物同時 祖先上科学界有着就说 争议——可能性就说 科学家倾向于把更像高等陆地植物的繁复苔藓或轮藻或鞘毛藻,当成陆地植物可能性的祖先,而忽略了你这人 外形内部人员相对简单的双星藻纲。显然,在事实面前,你这人 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时候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,其细胞壁的内部人员也更接近于陆地植物。

  “这表明,在登陆时候,双星藻纲祖先的基因组和遗传代谢可能性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。

  另外有有五个 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繁复演化的重要动力之一,其他你这人 疑问在藻类中极其少见。”程时锋说,此次团队捕捉到的你这人 多倍化信号,是近期地处的,但也暗示了Spirogloea你这人 门类可能性总是拥有你这人 多倍化的能力,是有利于其陆地化的重要影响因素。然而,登陆时候的古老多倍化事件不是地处?依然还要进一步研究。

  从细菌中“借来”的基因

  绝大多数情形下,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咋样也无法传递到动物体内。

  而在此次研究中,科学家们发现,此次测序的有有五个 双星藻基因组的祖先果真从土壤细菌中“偷”或“借”来了有有五个 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、发育和抗逆等就说 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,什么基因和功能总是被科学界认为越来越陆地植物才特有。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有有五个 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。其他,通过分子系统进化分析发现,该HGT事件地处的时间约为5.8亿年前,正好与植物陆地化的化石时间吻合。

  HGT事件是有有五个 长期具有争议性一段话题。就说 研究认为,该疑问仅地处于原核生命中,如细菌之间,从细菌到高等真核生物的HGT事件极其罕见,且一般可能性年代久远,很难证实。近些年,陆续有报道地处在高等植物中的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,排除了细菌污染的可能性,验证了基因组组装、注释、真核基因内部人员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事件的拓扑内部人员,证实了GRAS/PYL从细菌转移至双星藻纲与陆地植物同時 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,为随后的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,自然界中地处的‘转基因’,或自发性的遗传工程事件,是地处的。”程时锋笑言道,“可能性有青春时光图片 机带着亲戚亲戚亲们回到5亿多年前,或许是个不错的体验,亲戚亲戚亲们儿还要现场做有有五个 转基因验证实验。”

  其他,生命的演化是极其繁复的,有就说 综合影响的因素。“重要的是,亲戚亲戚亲们儿找到了系统比较进化基因组学你这人 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,都可不都能能 帮助亲戚亲戚亲们儿研究就说 亿万年前的、厚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还要重视的重要一步。”程时锋补充道。