Kara bitkilerinin ortak atası olduğu ortaya çıktı
Yaşam okyanusta doğdu. Dünyanın doğuşundan okyanusun ortaya çıkmasına, prokaryotik ve ökaryotik yaşamın ortaya çıkmasına kadar milyarlarca yıllık evrim geçirmiştir. Antik okyanustaki yeşil algler karaya nasıl indi ve karada çeşitli bitki topluluklarına dönüştü? Uzun zamandır bilimsel araştırmanın odak noktası olmuştur.
Sentetik Biyoloji Merkezi, Genomik Enstitüsü, Çin Tarım Bilimleri Akademisi'nden Cheng Shifengin ekibi ve Almanya, Kanada, Rusya ve Shenzhen BGIdan bilim adamları önemli bir sonuç yayınladılar. Ortak ekip, en son iki tek hücreli yeşil yosunun genomlarını keşfetti ve bunların kara bitkileriyle ilişkilerini ortaya çıkardı. Ortak ata, 500 milyon yıl önce başarılı bir iniş için kuraklığa adaptasyonun moleküler mekanizmasını aştı. "Deniz altı Zygnematophyceae genomları, kara bitkilerinin evrimine dair içgörü sağlar" ("Karasal Çift Yıldız Yeşil Alglerin Genomiği Bitki Ataları Karasalizasyonunun Evrimsel Mekanizmasını Ortaya Çıkarıyor") 15 Kasım'da Pekin'de uluslararası yetkili "Cell" dergisinde çevrimiçi olarak yayınlandı.
Deniz yaşamının "inişinin" gizemi
Yaklaşık 1.5 milyar yıl önce, karada yaşam olmadığında, okyanusta fotosentez yapabilen ökaryotik yaşam ortaya çıktı. Sonraki yüz milyonlarca yıl içinde, okyanusta çok sayıda ilkel algler oluştu. Tüm yaşamın evrimleşme ve gelişme içgüdüsü vardır Yaklaşık 500 ila 600 milyon yıl önce, okyanusta yaşayan algler yeryüzünde hareket etmeye ve karaya çıkmaya başladı.Bu bitkilerin karasal hale getirilmesidir.
Bu uzun ve karmaşık bir evrim sürecidir.Suda yaşamış olan algler hayatta kalmak için toprağa nasıl adapte olurlar, su ve besinleri nasıl elde ederler, bu yeteneklere ulaşmak artık kolay görünüyor.Yüz milyonlarca yıl önce, canlı organizmaların evrim süreciydi. Çin'de köprülenemeyen büyük körfez.
Gelgitlerin gelgitler ve yaşamın iniş çıkışlarında, yeryüzündeki coğrafi ortam muazzam değişimler geçirdi.Ağırlar, göller, nehir yatakları, açık deniz çamurları, su birikintileri vb. Görünmeye başladı ve birçok yerde tuzlu su yavaş yavaş tatlı suya dönüştü. Aynı zamanda, algler toprak bakterileri ile etkileşime girmeye başladı ve besin elde etmenin yeni yollarını geliştirdi.Yüz milyonlarca yıllık evrimden sonra bu algler vasküler bitkilere, cimnospermlere ve kapalı tohumlulara evrildi ve sonunda bizi oluşturdu. Bugün görülen çeşitli karasal bitki örtüsü.
Bitkilerin karasal hale getirilmesi, tüm dünyanın ekosistemini derinden değiştirdi ve dünya yüzeyinin "yeşillendirilmesi" ve çeşitliliğin patlaması için başlangıç noktasıdır. Oksijen, gıda, beslenme ve doğal tıp dahil olmak üzere insanlar da dahil olmak üzere daha yüksek yaşam için gerekli olan hayatta kalma ve gelişme için temel sağlarlar.
Geçtiğimiz milyarlarca yıl içinde yaşamın evrimi sırasında, çok sayıda fotosentetik ökaryot grubunun kuraklık adaptasyonunu kırıp başarıyla karaya indiğini belirtmekte fayda var. Ancak bilim adamları, neredeyse tüm fosil ve moleküler kanıtların, mevcut kara bitkilerinin kökeninin tek bir iniş olayından geldiğini gösterdiğini keşfettiler. Diğer bir deyişle, kara bitkilerinin ortak atası sadece yosun benzeri bir yaşam türüdür. Şu anda gördüğümüz diyatomlar ve siyanobakteriler gibi diğer algler de başarılı bir şekilde yere inip birbiri ardına hayatta kalsa da, daha yüksek formlara evrimleşme yeteneklerinden yoksundurlar, bu nedenle kara bitkilerinin ortak atası değildirler.
Resim, yeşil alglerin ve kara bitkilerinin ata evrim ağacını göstermektedir.
Dünyanın dört bir yanındaki bitki taksonomistleri ve evrimciler, farklı bölgelerde farklı derecelerde araştırmalar yapmış, yosun, yosun ve boynuz otu gibi en basit ve ilkel kara bitkilerini, çünkü bu bitkiler suda yaşadıkları için analiz etmişlerdir. Karayı çevreleyen veya ıslak olan yerler, alglerin yüz milyonlarca yıl önce düştüğü duruma en yakın yerlerdir.
Bu temelde, bilim adamları nihayet cevabı Chara, Coleoptera ve çok daha basit Diaspora'da kilitlediler.
A, Charophyceae'dir, B, Coleochaetophyceae'dir, C, Zygnematophyceae'dir ve D, Ciğerotlarıdır.
Kara bitkilerinin ortak atası olan bu üç alg türü kimdir?
Bu konuyla ilgili olarak, bilim camiası tartışmayı asla bırakmadı ve herkesin kendi nedenleri ve kendi kanıtları var.
"Doğru filogenetik ağaç üzerinde doğru türü bulamadığımızda, birçok biyolojik ve evrimsel soru iyi yanıtlanamaz." Dedi Cheng Shifeng, 500 milyon yıl önce meydana gelen bitki atalarının karasal hale gelmesinin moleküllerini ortaya çıkarırken. Mekanizma çok zor ama çok ilginç bir şey.
Resim, araştırma ekibi üyelerinin bir grup fotoğrafını göstermektedir.
Mütevazı "karşı-saldırgan"
2015 yılında Cheng Shifeng'in ekibi, Almanya'daki Köln Üniversitesi Yosun Türleri Merkezi'nden Zygnematophyceae'de iki tür (Spirogloea muscicola ve Mesotaenium endlicherianum) elde etti ve Shenzhen BGI'da "tanımlama" gerçekleştirdi ve bunları 2016 sonunda resmen elde etti. Genom dizisi gibi temel veriler. O zamandan beri, bu iki türün genlerinde bir milyar yıldan fazla bir süredir saklı olan sırlar nihayet yavaş yavaş bilim adamlarının önünde ortaya çıktı ve uzun bir evrimsel alg iniş tarihi ortaya çıkmaya başladı.
Resim, Zygnematophyceae'nin ve filogenetik ağacın elektron mikrografını göstermektedir.
Bilim adamları, sistematik taksonomi ve karşılaştırmalı evrimsel genomik çalışmaları yoluyla yeşil alglerden birinin (Spirogloea muscicola) (henüz Çince veya İngilizce çevirisi yok) aslında yepyeni bir türe ait olduğunu ve Diaspora sınıfından ilk farklılaşanın olduğunu doğruladılar. Kara bitkilerinin ortak atasına en yakın bazal türler.
Bu sonuç şaşırtıcıdır: Sonuçların yayınlanmasından önce insanların kara bitkilerinin gerçek atalarının genomlarının neye benzediğini asla bilmedikleri anlamına gelir. Daha da şaşırtıcı olan şey, Diaspora'daki türlerin çoğunun tek hücreli veya basit ipliksi formlar olmasıdır, bu da bilim camiasında bitkilerin ortak atası hakkında neden birçok tartışma olduğunu açıklar, çünkü birçok bilim insanı Diaspora'nın bu nispeten basit yapısını görmezden gelirken, daha yüksek kara bitkilerine benzeyen karmaşık yosunları veya chara veya Coleoptera'yı kara bitkilerinin olası ataları olarak görüyor. Açıkçası, gerçekler karşısında, bu en göze çarpmayan tür, sonunda bir "karşı saldırgan" haline geldi.
Ekip ayrıca, Diptera genomunun diğer yeşil alg dallarına kıyasla stres direnci, kuraklık direnci ve güçlü ultraviyole direnci ile ilgili daha fazla transkripsiyon faktörüne sahip olduğunu ve daha önce kara bitkileri olarak kabul edilen çok sayıda yeteneği kara bitkileriyle paylaştığını keşfetti. Bitki hormonları, bakteri / mantarlar ile simbiyoz, vb. Gibi benzersiz çekirdek gen aileleri, kara bitkilerininkine daha yakın hücre duvarı yapılarına sahiptir.
"Bu, Diaspora'nın atalarının yere inmeden önce genomlarında ve genetik metabolizmalarında önemli genomik yeniliklere sahip olduklarını ve çok sayıda yeni gen veya aile büyütmeleri elde ettiklerini ve karasal yaşama uyum sağlamak için genetik materyali çoktan hazırladıklarını gösteriyor." Cheng Shifeng dedi.
Spirogloea'da yeni bir genom çapında replikasyon olayı meydana geldi.
Bilim insanlarını şaşırtan bir başka bulgu, ekibin Spirogloea muscicola genomunda yakın zamanda önemli bir tüm genom üçe katlanma olayı tespit etmesiydi.
Cheng Shifeng, "Gen veya tam genom replikasyonu, yaşamın basitten karmaşığa evrimi için önemli itici güçlerden biridir, ancak bu fenomen alglerde son derece nadirdir." Dedi. Ekip tarafından bu kez yakalanan çarpma sinyali yakın zamanda ortaya çıktı, ancak aynı zamanda Spirogloea kategorisinin karasal hale gelmesini teşvik etmede önemli bir faktör olan bu çoğaltma yeteneğine her zaman sahip olabileceği anlamına geliyor. Ancak, inişten önce eski çarpma olayı gerçekleşti mi? Daha fazla araştırmaya hala ihtiyaç vardır.
Bakterilerden "ödünç alınan" genler
Çoğu durumda, genler dikey olarak, yani ebeveynden yavruya aktarılır .. Seviyeler arasındaki genlerin aktarılması son derece zordur, tıpkı bitki genlerinin hayvanlara aktarılamaması gibi.
Bu çalışmada bilim adamları, iki çift yıldız alg genomunun atalarının aslında toprak bakterilerinden "çalınmış" veya "ödünç alınmış" iki anahtar geni sıraladıklarını keşfettiler: Kara bitkilerinin ataları olan GRAS ve PYL. Karasal habitata uyum sağlamak için anahtar moleküler sinyal.
Resim atasal kara bitkileri tarafından toprak bakterilerinden "çalınan" anahtar genleri göstermektedir: GRAS ve PYL.
Bunların arasında GRAS, bitki araştırmalarındaki "yıldız genler" den biridir, çok "çok yönlüdür" ve bitki büyümesi, gelişimi ve stres direnci gibi birçok önemli metabolik yolla ilgilidir. GRAS ailesindeki NSP1, NSP2, RAM1 ve diğer alt aileler, bitki fizyolojisini ve mikobranş kökleri, nodüller ve simbiyotik azot fiksasyonu gibi ekolojik süreçleri düzenleyen çok önemli kopyalama faktörleridir.
PYL geni, absisik asit ABA genetik yolunda önemli bir reseptör faktörüdür.
Bu genler ve işlevler, bilim topluluğu tarafından kara bitkilerine özgü olarak kabul edilmiştir.
Ekip, bu çalışmada ilk kez "atalarının köklerini" Diaspora'nın iki genomuna kadar izledi ve bunun toprak bakterilerinden yatay bir gen transfer olayından (HGT) kaynaklandığını kanıtladı. Dahası, moleküler filogenetik analiz yoluyla, HGT olayının bitki arazisinin fosilleşmesi ile çakışan yaklaşık 580 milyon yıl önce meydana geldiği bulundu.
HGT olayı uzun vadeli tartışmalı bir konudur.Birçok çalışma bu fenomenin sadece prokaryotik yaşamda var olduğuna inanır (bakteriler arasında olduğu gibi) Bakterilerden yüksek ökaryotlara HGT olayları son derece nadirdir ve genellikle yaşlarından dolayı zordur. Onaylanmış. Son yıllarda, yüksek bitkilerde HGT olaylarına ilişkin raporlar olmuştur.Örneğin, Cornell Üniversitesi'nden Fay-wei Li, yeni keşfedilen bir fotoreseptör geninin hornwort'tan eğrelti otuna transferini doğrulamak için 1KP proje verilerini kullandı. Yatay gen aktarımı olayları, yaşamayı seven eğrelti otlarına güçlü ekolojik uyum yeteneği kazandırır.
Bu sefer, yüksek kaliteli saflaştırılmış örnekler ve sofistike sekans analizi garantisi altında Cheng Shifeng'in ekibi bakteriyel kontaminasyon olasılığını dışladı, genom montajının, ek açıklamanın, ökaryotik gen yapısının ve ekspresyon verilerinin güvenilirliğini doğruladı ve sonunda büyük ölçekli genom karşılaştırmalarını geçti Farklı veri matrisleri, farklı yazılımlar, farklı algoritmalar ve moleküler modeller kullanan filogenetik ağaç analizi, GRAS / PYL'nin bakterilerden çift yıldız alg ve kara bitkilerinin ortak atası olan HGT olaylarına transferini doğrulayan HGT olaylarını öneren tutarlı topolojik yapılar elde etmiştir. .
HGT olayının, kara bitkilerinin atalarının işlevi ve uyarlanabilirliğindeki "tarihsel sıçramada" önemli bir adım olduğu ve sonraki 500 milyon yıllık yeşil bitkilerin dünyayı işgal etmesinde son derece önemli bir rol oynadığı tahmin ediliyor.
Yeşil alglerin ve kara bitkilerinin ortak atasının genleri ve aile yenilikleri.
"Genetiği değiştirilmiş genler veya doğada meydana gelen kendiliğinden oluşan genetik mühendisliği olayları var," dedi Cheng Shifeng gülümseyerek, "İnsanları 500 milyon yıldan daha uzun bir süre önce geri getirecek bir zaman makinesi varsa, bu iyi bir deneyim olabilir. Biz Ayrıca, sitede genetiği değiştirilmiş bir doğrulama deneyi de yapabilirsiniz. "
Bununla birlikte, yaşamın evrimi son derece karmaşıktır ve kapsamlı bir etkiye sahip birçok faktör vardır. "Önemli olan, sistematik karşılaştırmalı evrimsel genomiği bulmuş olmamızdır, son derece etkili bir gen keşfi aracı. Mevcut sınırlı türler ve verilerle bile, yüz milyonlarca yıl önce derin homoloji veya paralel evrim özelliklerini incelememize yardımcı olabilir. C4 fotosentez veya nodülasyon ve nitrojen fiksasyonu araştırmaları gibi moleküler köken yasası Evrim insanlardan çok daha akıllıdır.Günümüzde tarımsal yetiştiricilerin, hedef fonksiyonel genleri keşfetmek ve kazmak için doğanın çeşitli tür kaynaklarından ilham almaları gerekmektedir. Dikkat edilmesi gereken önemli bir adım. "Cheng Shifeng ekledi.
