Analys av Ceratopteris-genomet ger tips för att lösa det långvariga mysteriet om varför ormbunkar i genomsnitt behåller mer DNA än andra växter. Jämförelser med genom från andra grupper ledde också till den överraskande upptäckten att ormbunkar stal generna för flera av deras anti-växtätande toxiner från bakterier. Kredit:David Randall, Western Sydney University
Ormbunkar är ökända för att innehålla enorma mängder DNA och ett överdrivet stort antal kromosomer. Trots alla förväntningar har en ormbunke som inte är större än en mattallrik för närvarande titeln för högsta kromosomantal, med hela 720 par inklämda i var och en av dess kärnor. Denna förkärlek hos ormbunkar för att hamstra DNA har stört forskarna, och den svårlösta storleken på deras genom har gjort det svårt att sekvensera, sätta ihop och tolka dem.
Nu har två artiklar publicerats i tidskriften Nature Plants skriver om historien med de första genomen i full längd för homosporösa ormbunkar, en stor grupp som innehåller 99 % av all modern ormbunksmångfald.
"Varje genom berättar en annan historia", säger medförfattaren Doug Soltis, en framstående professor vid Florida Museum of Natural History. "Ormbunkar är de närmaste levande släktingarna till alla fröväxter, och de producerar kemiska avskräckande medel för växtätare som kan vara användbara för jordbruksforskning. Ändå har de tills nu förblivit den sista stora linjen av grönt liv utan en genomsekvens."
Två team av forskare avslöjade separat genomet av Ceratopteris (Ceratopteris richardii) i torsdags och genomet för den flygande spindelapträdets ormbunke (Alsophila spinulosa) förra månaden.
Analys av Ceratopteris-genomet ger tips för att lösa det långvariga mysteriet om varför ormbunkar i genomsnitt behåller mer DNA än andra växter. Jämförelser med genom från andra grupper ledde också till den överraskande upptäckten att ormbunkar stal generna för flera av deras anti-växtätande toxiner från bakterier.
Ceratopteris-genomet stödjer en decennier gammal teori och lämnar fler frågor än svar
Sedan 1960-talet har den mest gynnade förklaringen till varför ormbunkar innehåller så mycket DNA åberopat skenande helgenomduplikationer, där en extra uppsättning kromosomer av misstag överförs till en organisms avkomma. Detta kan ibland vara fördelaktigt, eftersom alla extra gener sedan kan användas som råmaterial för utvecklingen av nya egenskaper. I själva verket har helgenomdubblering varit inblandad i ursprunget för nästan alla växtväxter.
Duplicering av hela genom är vanligt hos växter och till och med vissa djur, men de flesta organismer tenderar att kasta bort det extra genetiska bagaget med tiden, och bantar tillbaka till mindre genom som är metaboliskt lättare att underhålla.
"Detta har varit en viktig diskussionspunkt under det senaste halvseklet och har lett till alla typer av motstridiga resultat", säger huvudförfattaren Blaine Marchant, en postdoktor vid Stanford University och tidigare doktorand i Florida Museum. "Att försöka ta reda på den evolutionära processen som ligger bakom denna paradox är otroligt viktigt."
Med de första helt sammansatta homosporösa ormbunkegenomen var forskarna äntligen beredda att ta itu med denna fråga, men att ta sig dit var inte lätt. Att sekvensera det stora, komplexa genomet av Ceratopteris tog över åtta års arbete och den kombinerade ansträngningen av dussintals forskare från 28 institutioner runt om i världen, inklusive U.S. Department of Energy Joint Genome Institute. Slutresultatet blev 7,46 gigabaser DNA, mer än dubbelt så stort som det mänskliga genomet.
Om Ceratopteris hade samlat på DNA genom upprepade genomdupliceringshändelser, förväntade forskarna att stora delar av dess 39 kromosompar skulle vara identiska. Det de hittade istället var en blandad påse av repetitiva sekvenser och miljontals korta fragment som kallas hoppgener, som stod för 85 % av ormbunkens DNA. Snarare än flera genomkopior, innehåller Ceratopteris mestadels genetiskt skräp som ackumulerats under miljontals år.
"De funktionella generna är åtskilda av stora mängder repetitivt DNA. Och även om vi ännu inte är säkra på hur Ceratopteris och andra ormbunkegenom blev så stora, är det uppenbart att den rådande synen på upprepade episoder av genomduplicering inte stöds", säger han. medförfattare Pam Soltis, curator i Florida Museum och framstående professor.
Författarna noterar att det är för tidigt att dra några säkra slutsatser, särskilt eftersom detta är den första analysen av dess omfattning som görs i denna grupp. Korsjämförelser med ytterligare ormbunkegenom på vägen kommer att bidra till att måla en tydligare bild av hur dessa växter utvecklats.
Ändå pekar resultaten på en tydlig skillnad i hur homosporösa ormbunkar hanterar sitt genetiska innehåll jämfört med nästan alla andra växter, sa Marchant.
"Vad vi verkar hitta är att saker som blommande växter, som i genomsnitt har mycket mindre genom än ormbunkar, bara är bättre på att bli av med skräp-DNA. De är bättre på att tappa reservkromosomer och till och med minska efter små dubbletter."
Ormbunkar stal upprepade gånger gifter från bakterier
En närmare titt på miljarder DNA-baspar inom Ceratopteris avslöjade flera försvarsgener som kodar för en särskilt olycklig typ av porbildande toxin. Dessa toxiner binder till celler, där de aktiveras och bildar små, ihåliga ringar som slår sig in i cellmembranet. Vatten strömmar in i cellerna genom de resulterande hålen, vilket gör att de spricker.
Porbildande toxiner har studerats intensivt av forskare för deras potentiella användning i nanoporteknologi, förklarade Marchant. Oftast finns de dock i bakterier.
"Detta är det första konkreta beviset på dessa bakteriella toxinrelaterade gener i ormbunks-DNA," sa Marchant och noterade att likheten inte är en slump.
Istället för att utveckla detta toxin på egen hand, verkar Ceratopteris ha fått det direkt från bakterier genom en process som kallas horisontell genöverföring. Och med tanke på att det fanns flera kopior av genen utspridda bland tre separata kromosomer, är det troligt att detta hände mer än en gång.
"Vad som är fascinerande är att de många kopiorna av dessa gener dyker upp i olika delar av växten," sa han. "Vissa är starkt uttryckta i stammen och rötterna, medan andra kopior uttrycks enbart i bladen, och andra uttrycks generellt i alla vävnader. Vi kan inte vara säkra på den exakta funktionen hos dessa gener vid denna tidpunkt, men deras likhet med toxinbildande gener i bakterier tyder verkligen på att dessa gener är försvarsrelaterade."
Detta skulle inte vara första gången ormbunkar har införlivat främmande DNA i sina genom. En studie från 2014 visar att ormbunkar kan ha utvecklat sin karakteristiska förmåga att växa i skuggiga miljöer genom att låna gener från avlägset besläktade växter.
Men exakt hur organismer separerade av miljontals år av evolution kan byta fullt fungerande gener är fortfarande oklart.
"Mekanismerna bakom horisontell genöverföring förblir ett av de minst undersökta områdena för landväxtutveckling," förklarade Doug Soltis. "Under evolutionära tidsskalor är det lite som att vinna på lotteriet. Varje gång en växt skadas är dess inre känsligt för invasion från mikrober, men att deras DNA ska införlivas i genomet verkar fantastiskt."
Författarna säger att detta bara är det första steget i en lång serie studier med praktiska tillämpningar som sträcker sig från utvecklingen av nya biobekämpningsmedel till innovativa nya bevarandestrategier.
Flera av författarna är involverade i den nuvarande ansträngningen att sekvensera genomen från alla kända eukaryota organismer inom en 10-årig tidsram. Kallas Earth Biogenome Project, strävan kommer att generera otaliga genomiska resurser som forskare kommer att ha händerna fulla med att analysera under överskådlig framtid. + Utforska vidare
