500 milyondan bir yıl önce "karaya çıkan" ilk yeşil bitki kimdi? Çin-Almanya, Kanada ve Rusya ekipleri tarafından ortak çatlama
Yaklaşık 500 milyon yıl önce, yeşil alglerin karasal hale gelmesi, yeşil bitkilerin atalarının basitten karmaşığa, suda yaşayanlardan karaya geçmesine neden oldu. Yaklaşık 1,5 milyar yıl önce, fotosentetik ökaryotik yaşam okyanusta ortaya çıktı ve ışık ve su bulunan yerlerde gelişti.
Bununla birlikte, ilk gerçek yeşil bitkiler suda yaşayan bitkilerden karaya nasıl adım adım evrimleşti ve başarılı bir şekilde adapte oldu? Bilim adamları bu uzun süredir tartışmalı konu hakkında soru sormayı asla bırakmadı.
14 Kasım, Pekin saatiyle 24: 00'te, uluslararası yetkili dergi "CELL" (CELL), Çin, Almanya, Kanada ve Rusya'dan bir bilim insanı ekibinin işbirliğiyle elde edilen en son araştırma sonuçlarını çevrimiçi olarak yayınladı ve en son iki tek hücreli yeşil alg genomunu bildirdi. Kara bitkileriyle ortak atası, 500 milyon yıl önce kuraklığa adaptasyon ve başarılı inişin moleküler mekanizmasını kırdı.
Makalenin ilk yazarı, Sentetik Biyoloji Merkezi, Genomik Enstitüsü, Çin Tarım Bilimleri Akademisi'nden Cheng Shifeng, ilk ortak yazar Cheng Shifeng'in ekipte stajyer araştırmacısı Xian Wenfei ve ilgili yazar, Almanya'daki Köln Üniversitesi'nden Profesör Michael Melkonian ve Kanada, Kanada Üniversitesi'nden Profesör Gane Alberta Ka-Shu Wong. Proje, Shenzhen Bilim ve Teknoloji İnovasyon Komisyonu, Çin Tarım Bilimleri Akademisi İnovasyon Projesi, Guangdong Lingnan Laboratuvarı, Shenzhen Tarımsal Genom Araştırma Enstitüsü ve BGI tarafından desteklenmiştir.
"Doğru filogenetik ağaç üzerinde doğru türü bulamadığımızda, birçok biyolojik ve evrimsel soru çok iyi cevaplanamaz." Cheng Shifeng, "500 milyon yıl önce bitki atalarının karasalizasyonunda ne olduğunu öğrenin. Moleküler mekanizma zor ama çok ilginç bir şey. "
Yaşamın evriminin son derece karmaşık olduğunu ve kapsamlı bir etkiye sahip olan birçok faktör olduğunu belirtmek gerekir. Ancak araştırma ekibi, son derece etkili bir gen keşfi aracı olan sistematik karşılaştırmalı evrimsel genomik bulmanın önemli olduğuna inanıyor ve bu, yüz milyonlarca yıl önce derin bir şekilde homolog veya paralel evrimleşmiş özelliklerin kökeninin moleküler yasalarını incelemeye yardımcı oldu.
Cheng Shifeng, sistematik karşılaştırmalı evrimsel genomik yöntemine yanıt olarak The Paper (www.thepaper.cn) ile yaptığı röportajda, Sistematik karşılaştırmalı evrimsel genomik, özellikle araştırma derinliğinde çok güçlü bir araştırma stratejisi ve aracıdır. Kaynak bağlamında, birleşen ve gelişen bu özellikler veya genetik metabolik yollar.
Cheng Shifeng ayrıca, her şeyin kapsamlı bir karşılaştırmasının bize tek taraflı araştırmanın elde edemeyeceği bilişi söyleyeceğini açıkladı. "Karşılaştırmalı genomik, iki veya daha fazla ilgili genomu karşılaştırmaktır. Sistematik karşılaştırmalı evrimsel genomik, ilgili genomları evrim ağacına koymak ve onları evrimsel ilişkilere göre düzenli bir şekilde karşılaştırmak ve onları hedef özelliklerle ilişkilendirmektir. Aynı yakınsak özelliklerden sorumlu genler veya gen aileleri gibi özelliklerin yakınsamasının arkasındaki moleküler mekanizmaları bulun. "
Bu yöntemi kullanarak, Cheng Shifeng ve diğerlerinin Temmuz 2018'de en iyi akademik dergi "Science" da bir makale yayınladıklarını ve evrimsel biyolojideki önemli fenomenlerden biri olan "nodülasyon ve nitrojen fiksasyonu" nu önerdiklerini belirtmek gerekir. Çoklu bağımsız kayıpların yeni hipotezi.
Bitkilerin karasal hale gelmesi tüm ekosistemi değiştiriyor .. İlk "karaya çıkan" kim?
Bitkilerin karasal hale gelmesi uzun ve karmaşık bir evrim sürecidir.
Makalede, uzun vadeli tarihsel iniş ve çıkışlarda, toprak bakterileriyle etkileşime giren ve yeni besin erişimi geliştirmeye başlayan küçük su birikintileri, nehir yatakları, açık deniz çamurları vb. Gibi bazı coğrafi habitatların periyodik olarak kuruduğu belirtildi. Bu şekilde, ilk kara bitkileri ve onların soyundan gelenlere yavaş yavaş zorlu ortamlara uyum sağlama ve nihayet bugün gördüğümüz zengin ve çeşitli karasal bitki topluluklarını oluşturma yeteneği verilir.
Bitkilerin karasal hale getirilmesi tüm ekosistemi derinden değiştirmiştir. Dünya yüzeyinin "yeşillendirilmesi" ve çeşitliliğin patlaması için başlangıç noktasıdır. İnsan dahil daha yüksek yaşam için oksijen, yiyecek, beslenme ve doğal ilaçlar sağlar. Geliştirme temeli.
Peki mevcut kara bitkilerinin ortak atası hangi gruptan geliyordu? İlk gerçek yeşil bitki suda yaşayan bitkilerden karaya nasıl adım adım evrildi ve nasıl başarılı bir şekilde adapte oldu? Bu hala tartışmalı bir konudur.
Yeşil alglerin ve kara bitkilerinin ata evrim ağacı.
Geçtiğimiz milyarlarca yıllık yaşamın evrimi sırasında, birçok fotosentetik ökaryot grubunun kuraklık adaptasyonunu kırdığını ve başarılı bir şekilde indiğini belirtmekte fayda var. Bununla birlikte, hemen hemen tüm fosil ve moleküler kanıtlar, mevcut kara bitkilerinin kökeninin tek bir iniş olayından (tekillik) kaynaklandığını ve ortak atalarının Streptophyta adı verilen sınıfın belirli bir koluna ait olduğunu göstermektedir.
Hem bitki taksonomistleri hem de evrimciler, yosun, ciğerotu ve boynuz otu (yosun, ciğer otu, boynuz otu) gibi en basit ve ilkel temel kara bitkilerini analiz ederek farklı çalışmalar yapmışlardır; araştırmanın çoğu Kara bitkilerine daha yakın olan Charophyceae veya Coleochaetophyceae'nin karmaşık yapısı ve Zygnematophyceae'nin çok daha basit dalı gibi tatlı suda veya arazinin bir bölümünde yaşayan Streptophyta yeşil algleri üzerinde .
"İnişten önce uyarlanmış" tek bir hücre
Araştırma ekibi, Almanya'daki Köln Üniversitesi Yosun Türleri Merkezi'nden Zygnematophyceae'den iki tür (Spirogloea muscicola ve Mesotaenium endlicherianum) aldı ve BGI'deki tüm genom dizileme çalışmasını tamamladı.
Sistematik taksonomi ve karşılaştırmalı evrimsel genomik çalışmaları sayesinde yeşil alglerden biri doğrulandı: Yeni tanımlanan bir taksonomiden (Spirogloeophycidae) türetilen ilk bildirilen yeni tür olan Spirogloea muscicola; ve ayrıca Spirogloea muscicola'nın Diaspora sınıfına ait olduğunu kanıtlıyor Zygnematophyceae), kara bitkilerinin ortak atasına en yakın olan en eski bazal türdür.
Araştırma ekibi, bu sonucun şaşırtıcı olduğuna inanıyor. Bu, sonuçların yayınlanmasından önce, insanların gerçek kara bitki atalarının genomlarının neye benzediğini asla bilmediği ve bu alg türünün halka açık bilgilerde başka bir açıklaması olmadığı anlamına gelir. Daha da şaşırtıcı olan, çoğu Zygnematophyceae türünün tek hücreli veya basit ipliksi formda bulunmasıdır. Bu nedenle, önceki çalışmalar her zaman karmaşık yosunları ve chara'yı yüksek kara bitkileri gibi tedavi etme eğilimindedir. Veya Coleoptera, kara bitkilerinin olası bir atası olarak kabul edilir.
Dipsella'nın elektron mikrografları ve filogenetik ağaçları.
Aslında, diğer yeşil alg dallarıyla karşılaştırıldığında, Zygnematophyceae genomu, stres direnci, kuraklık direnci ve güçlü ultraviyole direnci ile ilgili daha fazla transkripsiyon faktörüne sahiptir.Önceden düşünülen çok sayıda kara bitkisini kara bitkileriyle paylaşır. Bitki hormonları, bakteri ve mantarlarla simbiyoz gibi bitkilere özgü çekirdek gen ailesi; hücre duvarı yapısı da kara bitkilerine daha yakındır.
Araştırma ekibi, yere inmeden önce Zygnematophyceae'nin (Zygnematophyceae) genom ve genetik metabolizmada önemli genomik yeniliklere sahip olduğunu, çok sayıda yeni gen veya aile amplifikasyonu elde ettiğini ve karasal yaşama uyum sağlamak için genetik materyal hazırladığını belirtti. (Ön adaptasyon).
Yeşil alglerin ve kara bitkilerinin ortak atasının genleri ve aile yenilikleri.
Ek olarak, araştırma ekibi Spirogloea muscicola'nın genomunda yakın zamanda önemli bir tüm genom üçleme olayını tespit etti. Araştırma ekibi tarafından daha önce yayınlanan bir araştırma verilerine göre, alglerde genom çapında poliploidi olayları son derece nadirdir, ancak Zygnematophyceae dalındaki bazı türler, tespit edilebilecek daha zengin poliploidi sinyallerine sahiptir.
Gen veya tüm genom replikasyonu, yaşamın basitten karmaşığa evrimi için önemli itici güçlerden biridir. Araştırma ekibi, Zygnematophyceae'nin sık genom çapında replikasyon olayları potansiyeline sahip olduğuna ve Zygnematophyceae ile karasal ortama adaptasyonu arasındaki ilişkinin daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyan bir konu olduğuna inanıyor.
Toprak bakterilerinden anahtar genler
Daha da önemlisi, araştırma ekibi, yeşil bitkilerin ortak ata genomunun toprak bakterilerinden iki anahtar geni "ödünç aldığını" buldu: Kara bitki atalarının karasal habitatlara uyum sağlamaları için anahtar moleküler sinyaller olan GRAS ve PYL.
GRAS, bitki araştırmalarındaki yıldız genlerden biridir ve bitki büyümesi, gelişimi ve stres direnci gibi birçok önemli metabolik yolla ilgilidir. GRAS ailesinde, NSP1, NSP2, RAM1 ve diğer alt aileler, mikobranş kökleri, nodüller ve simbiyotik nitrojen fiksasyonu gibi bitki fizyolojisini ve ekolojik süreçleri düzenleyen çok önemli transkripsiyon faktörleridir. PYL geni, absisik asit ABA genetik yolunda önemli bir reseptördür.
Bu genlerin ve işlevlerin daha önce kara bitkilerine özgü olduğu düşünülüyordu. Bu çalışmada ilk defa, araştırma ekibi "atalarının köklerini" iki Zygnematophyceae genomuna kadar izledi ve bunun toprak bakterilerinden yatay bir gen transfer olayından (Yatay Gen Transferi) kaynaklandığını kanıtladı. , HGTs); moleküler sistem evrim analizi yoluyla, HGT olayının yaklaşık 580 milyon yıl önce meydana geldiği ve bitkinin karasal hale gelmesinin fosil zamanına denk geldiği bulunmuştur.
HGT olayları uzun vadeli tartışmalı bir konudur.Birçok çalışma, bu fenomenin yalnızca bakteriler gibi prokaryotik yaşamda var olduğuna inanır.Bakterilerden yüksek ökaryotlara kadar HGT olayları son derece nadirdir ve genellikle yaşları nedeniyle doğrulanması zordur.
Araştırma ekibine göre, yüksek kaliteli saflaştırılmış numuneler ve sofistike sekans analizi garantisi altında, bu çalışma bakteriyel kontaminasyon olasılığını ortadan kaldırdı, genom montajı, açıklama, ökaryotik gen yapısı ve ekspresyonu ile ilgili verilerin güvenilirliğini doğruladı ve sonunda büyük ölçekli geçti Genom karşılaştırmalı filogenomik analizi (filogenomik), farklı veri matrisleri, farklı yazılımlar, farklı algoritmalar ve moleküler modeller kullanılarak, HGT olaylarını öneren tutarlı topolojik yapılar elde edildi, GRAS ve PYL genlerinin bakterilerden yeşil alg Zygnematophyceae'ye ve toprağa transferini doğruladı Bitkilerin ortak atasında HGT olayları.
Ataların kara bitkileri toprak bakterilerinden anahtar genleri "ödünç aldılar": GRAS ve PYL
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.
Cheng Shifeng, "Bir zaman makinesi varsa, 500 milyon yıldan daha uzun bir süre önce bitkilere geri dönmek ve ne olduğunu görmek istiyorum," dedi. "Belki bir işlevsel gen dönüşümü doğrulama deneyi yerinde yapılabilir."
