国际团队破解陆地植物生命最早形式的基因组密码
Zygnema。来源：uux.cn《自然遗传学》（2024）。DOI:10.1038/s41588-024-01737-3
（神秘的地球uux.cn）据内布拉斯加大学林肯分校（Dan Moser）：大约5.5亿年前，植物生命首次出现在陆地上，由内布拉斯加大学-林肯大学计算生物学家尹彦斌共同领导的一个国际研究团队破解了其卑微起源的基因组密码，这使得地球上所有其他陆地生命，包括人类，都成为可能。
该团队——来自八个国家的大约50名科学家——已经生成了四种Zynema藻类菌株的第一个基因组序列，Zyngma藻类是陆地植物的近亲。他们的发现揭示了植物适应环境的能力，并为未来的研究提供了丰富的基础。
这项研究于5月1日发表在《自然遗传学》杂志上。
“这是一个进化的故事，”尹说，他和一位来自德国的科学家一起领导了这个研究小组。“它回答了最早的陆地植物是如何从水生淡水藻类进化而来的基本问题。”
尹在内布拉斯加州食品健康中心和食品科学技术部的实验室研究植物细胞壁碳水化合物有着悠久的历史，植物细胞壁是人类和农场动物膳食纤维的主要成分；用于生物燃料生产的木质纤维素；以及保护作物免受病原体和环境压力的自然屏障。
目前陆地上的所有植物生命都是由一个一次性的进化事件爆发的，该事件被称为古代淡水藻类的植物地球化。大约5.5亿年前，第一批陆地植物出现在陆地上，被称为链菌门分支中的胚胎植物，它们的到来从根本上改变了地球的表面和大气层。
它们为未来的植物群和动物群提供了进化基础，使包括人类和动物在内的所有其他陆地生命成为可能。
研究人员研究了Zynema属的四种藻类菌株，其中两种来自美国的培养物，两种来自德国。科学家们结合了一系列尖端的DNA测序技术来确定这些藻类的整个基因组序列。
这些方法使科学家能够在整个染色体的水平上为这些生物生成完整的基因组——这是以前从未在这类藻类上做过的。将这些基因组与其他植物和藻类的基因组进行比较，发现了特定过量的细胞壁酶、信号基因和环境反应因子。
计算生物学家尹彦斌（右）和博士后研究员冯雪涵在对藻类样品进行回顾。来源：uux.cn/Craig Chandler/大学传播与市场营销学院/内布拉斯加大学林肯分校
奥地利因斯布鲁克大学、德国汉堡大学和联合国后勤基地生物技术中心进行的显微镜成像揭示了这些藻类的一个独特特征，即细胞壁外有一层厚而高粘性的碳水化合物层，称为粘液层。
该论文的第一作者、Husker博士后研究员冯学欢开发了一种新的有效的DNA提取方法来去除这种粘液层，以获得高纯度和高分子量的DNA。
莱布尼茨生物多样性变化分析研究所的Iker Irisarri是该论文的共同第一作者，他说：“令人着迷的是，起源早于陆地植物数百万年的基因构建块在植物和藻类的祖先身上复制和多样化，从而使更专业的分子机制得以进化。”。
该团队的另一位联合负责人、哥廷根大学的Jan de Vries说：“我们不仅为整个植物科学界提供了宝贵的高质量资源，他们现在可以探索这些基因组数据，我们的分析还揭示了环境反应之间的复杂联系。”
四种多细胞Zynema藻类属于Zynematophyceae纲，是陆地植物的近亲；它是一类淡水和半陆生藻类，有4000多种已描述的物种。
接合瘤藻科具有抵抗陆地胁迫的适应能力，如干燥、紫外线、冷冻和其他非生物胁迫。理解这些适应的关键是基因组序列。在这篇论文发表之前，只有四种单细胞接合瘤藻科的基因组序列可用。
尹说，这项研究符合国家科学基金会的十大理念之一——“理解生活规则”——以应对从清洁水到气候适应性等社会挑战。这一发现在生物能源、水可持续性和碳固存等应用科学领域也具有重要意义。
尹说：“我们的基因网络分析揭示了基因的共表达，特别是那些在陆地植物和Zynematophyceae的最后一个共同祖先中扩展和获得的细胞壁合成和再修饰的基因。”。
“我们揭示了平衡环境反应和多细胞生长机制的深层进化根源。”
这项国际研究合作包括来自美国、德国、法国、奥地利、加拿大、中国、以色列和新加坡八个国家20家研究机构的约50名研究人员。Husker团队中的其他研究人员包括生物科学教授Chi Zhang和农学和园艺教授Jeffrey Mower。
