Наземные растения доминируют над земной флорой, и наши продукты питания сильно зависят от них. Вопрос о том, как наземные растения произошли от водных водорослей, привлек большое внимание ученых. В 2011 году д-р Нишияма, один из авторов настоящей статьи, опубликовал статью в сотрудничестве с другими исследователями, в которой сравнивались Chlamydomonas reinhardtii, мох Physcomitrella patens, виды колосовидного мха (Selaginella moellendorffii) и кресс-салат (Arabidopsis thaliana). Сравнение показало, что после отделения предка наземных растений от хламидомонады ряд генов был приобретен до диверсификации наземных растений. Однако хламидомонады и наземные растения имеют отдаленное родство со временем расхождения в миллиард лет, поэтому явный интерес представляли последовательности геномов зеленых водорослей, более близких к наземным растениям. В 2014 году д-р Хори и другие под руководством профессора Охта из Токийского технологического института опубликовали последовательность генома Klebsormidium nitens, нитчатой зеленой водоросли, более близкой к наземным растениям, чем Chlamydomonas; они показали, что Klebsormidium nitens имеет гены, важные для жизни на суше, эквивалентные генам наземных растений.
Три группы зеленых водорослей эволюционно ближе к наземным растениям, чем Klebsormidiophyceae, то есть Charophyceae, Coleochaetophyceae и Zygnematophyceae. Среди них Charophyceae образуют наиболее сложный план тела с репродуктивными органами, антеридиями и оогониями. Фактически, Прингшейм в 1860-х годах уже предположил, что Chara (в настоящее время помещенный в Charophyceae) тесно связан с наземными растениями. Zygnematophyceae считаются сохранившейся линией, наиболее близкой к наземным растениям, но у них есть система полового размножения, в которой гаметы (репродуктивные клетки), почти равные по размеру, сливаются с образованием зигот, а не с большой яйцеклеткой и маленьким плавающим сперматозоидом. клетка. В настоящем исследовании мы раскрываем геном Chara braunii), который, как считается, отделился от наземных растений от 550 до 750 миллионов лет назад.
Здесь 60 исследователей из 40 учреждений 13 стран участвовали в анализе генома Chara braunii, представителя Charophyceae). Они получили предварительную последовательность генома, которой практически достаточно для сравнения с геномами других организмов. Проект последовательности генома депонирован в Банке данных ДНК Японии (DDBJ)) и доступен через Международную базу данных нуклеотидных последовательностей (INSDC).
Это исследование было проведено учеными из Университета Канадзавы и Университета Кобе. Особи Chara braunii были собраны на озере Касумигаура, Ибараки и в городе Сайдзё, Эхиме, Япония. Были созданы штаммы, свободные от других водорослей, которые можно выращивать в лабораториях и использовать для анализа генома. Размер генома был оценен как большой (около 2 Гб, около двух третей генома человека). Секвенаторы нового поколения Illumina в Национальном институте генетики Японии использовались для большей части секвенирования генома. После сборки необработанных последовательностей в каркасы последовательности каркасов, которые, по-видимому, произошли от бактерий, были исключены, и было получено 1,75 Гб последовательностей каркасов. кДНК (мРНК была обратно транскрибирована в комплементарную ДНК) клонировали в Escherichia coli в Токийском университете, и полученную библиотеку случайным образом отбирали и секвенировали с помощью обычного секвенатора для получения коротких субпоследовательностей (называемых тегом экспрессируемой последовательности, EST). Эти данные были использованы вместе с высокопроизводительными данными о последовательностях, полученными из кДНК с использованием секвенаторов нового поколения Illumina в Токийском университете, и другими данными, полученными из кДНК европейской группой, для предсказания содержащихся генов, и были оценены 35 422 структуры генов..
Последний общий предок Charophyceae и наземных растений, как было установлено в этом исследовании, обладал всеми генами, известными от наземных растений для деления клеток, за исключением одного, TANGLED1. Среди генов, которые, как известно, участвуют в биосинтезе фитогормонов и реакциях наземных растений, у Chara braunii были обнаружены все гены, участвующие в системе передачи сигналов этилена, в то время как у Klebsormidium nitens отсутствует один ген, EIN2. Кроме того, у Chara braunii обнаружены гены, кодирующие Aux/IAA и ARF, факторы транскрипции (гены, которые регулируют экспрессию других генов), участвующие в ответе на ауксин. Эти гены не обнаружены у Klebsormidium nitens. С другой стороны, поскольку рецептор типа TIR1 не обнаружен ни у Chara braunii, ни у Klebsormidium nitens, могут существовать неизвестные механизмы, действующие на ауксиновый ответ. Рецепторы для абсцизовой кислоты (PYR), жасмоновой кислоты и салициловой кислоты не были идентифицированы, что указывает на то, что рецепторы, обнаруженные у наземных растений, вероятно, были получены после разделения Charophyceae и наземных растений. Кроме того, у Chara braunii есть ортолог GUN1, ключа системы, регулирующей синтез белков хлоропластов посредством «ретроградной» передачи сигналов от хлоропласта к ядру, как это наблюдается у наземных растений. Chara braunii обладает большим количеством факторов транскрипции, чем другие зеленые водоросли, геном которых был определен.
Морфологическая сложность Charophyceae, возможно, возникла из-за расширения семейств генов после отделения от наземных растений; таким образом, такое расширение должно быть независимым от расширения наземных растений. В частности, следует отметить сеть генов активных форм кислорода (АФК), киназы, подобные рецепторам LysM, и расширение семейств трехспиральных транскрипционных факторов. Транскриптомный анализ половых репродуктивных структур выявляет сложный контроль с помощью факторов транскрипции, активности сети генов АФК и белков, участвующих в хранении питательных веществ, а также использование предками растительных запасающих белков и белков защиты от стресса в зиготе.
Эти анализы, основанные на черновой последовательности генома Chara braunii, показывают, что множество признаков, важных для наземных растений для их наземной жизни, уже существуют у общих предков Charophyceae и наземных растений, что показывает, что эти черты, свойственные наземным растениям были приобретены до появления древнейших наземных растений.
Настоящее исследование успешно выявило последовательность генома Chara braunii. Эта последовательность будет упоминаться в исследованиях развития и генетики наземных растений и будет способствовать пониманию эволюции наземных растений. Поскольку клетки Chara такие большие, их использовали для электрофизиологических исследований с использованием микроэлектрода для измерения мембранного потенциала. Знание его генома поможет понять молекулярные механизмы, лежащие в основе таких физиологических параметров.
Кроме того, Chara braunii - это космополитический вид, широко распространенный по всему миру, за исключением Антарктиды, и экологически адаптированный к различным условиям окружающей среды. Штаммы Chara braunii, используемые в этом исследовании, были собраны на озере Касумигаура, Ибараки и в городе Сайдзё, Эхиме, Япония. Тот, что из озера Касумигаура, по-видимому, приспособлен к мелководью с обильным освещением, а тот, что из города Сайдзё, по-видимому, приспособлен к глубокой воде с более низким уровнем освещенности. Изучая последовательности генома в зависимости от различных условий окружающей среды, можно проанализировать и выяснить механизмы адаптации.