Växtliv uppstod först på land för cirka 550 miljoner år sedan, och ett internationellt forskarlag ledd av University of Nebraska–Lincoln beräkningsbiolog Yanbin Yin har knäckt den genomiska koden för dess ödmjuka början, vilket möjliggjorde allt annat jordlevande liv på jorden, inklusive människor.
Teamet – cirka 50 forskare i åtta länder – har genererat den första genomiska sekvensen av fyra stammar av Zygnema-alger, de närmaste levande släktingarna till landväxter. Deras resultat belyser växternas förmåga att anpassa sig till miljön och ger en rik grund för framtida forskning.
Studien publicerades 1 maj i tidskriften Nature Genetics.
"Det här är en evolutionär historia", sa Yin, som ledde forskargruppen med en forskare från Tyskland. "Det svarar på den grundläggande frågan om hur de tidigaste landväxterna utvecklades från vattenlevande sötvattenalger."
Yins labb i Nebraska Food for Health Center och Department of Food Science and Technology har en lång historia av att studera växtcellväggkolhydrater, en viktig komponent i kostfibrer för människor och husdjur; lignocellulosa för produktion av biobränsle; och naturliga barriärer för att skydda grödor från patogener och miljöpåfrestningar.
Allt nuvarande växtliv på land sprack från en enstaka evolutionär händelse känd som växtterrestrialisering från gamla sötvattenalger. De första landväxterna, kända som embryophyta inom streptophyta, dök upp på land för cirka 550 miljoner år sedan – deras ankomst förändrade i grunden planetens yta och atmosfär.
De gjorde allt annat jordlevande liv, inklusive människor och djur, möjligt genom att fungera som en evolutionär grund för framtida flora och föda för fauna.
Forskarna arbetade med fyra algstammar från släktet Zygnema – två från en kultursamling i USA och två från Tyskland. Forskare kombinerade en rad banbrytande DNA-sekvenseringstekniker för att bestämma hela genomsekvenserna för dessa alger.
Dessa metoder gjorde det möjligt för forskare att generera kompletta genom för dessa organismer på nivån av hela kromosomer - något som aldrig tidigare hade gjorts på denna grupp av alger. Att jämföra genomen med de hos andra växter och alger ledde till upptäckten av specifika överflöd av cellväggsenzymer, signalgener och miljöresponsfaktorer.
En unik egenskap hos dessa alger som avslöjas genom mikroskopisk avbildning – utförd vid universitetet i Innsbruck i Österrike, Universität Hamburg i Tyskland och UNL:s Center for Biotechnology – är ett tjockt och mycket klibbigt lager av kolhydrater utanför cellväggarna, kallat mucilagelagret.
Xuehuan Feng, den första författaren till artikeln och en Husker-postdoktor, utvecklade en ny och effektiv DNA-extraktionsmetod för att ta bort detta slemskikt för hög renhet och högmolekylära DNA.
"Det är fascinerande att de genetiska byggstenarna, vars ursprung går före landväxter i miljontals år, duplicerades och diversifierades i förfäderna till växter och alger och, genom att göra det, möjliggjorde utvecklingen av mer specialiserade molekylära maskiner," säger Iker Irisarri från Leibniz Institute for the Analysis of Biodiversity Change och medförfattare till artikeln.
Teamets andra medledare, Jan de Vries vid universitetet i Göttingen, sa:"Vi presenterar inte bara en värdefull resurs av hög kvalitet för hela växtforskarna, som nu kan utforska dessa genomdata, våra analyser avslöjade komplicerade samband mellan miljöreaktioner."
De fyra flercelliga Zygnema-algerna tillhör klassen Zygnematophyceae, de närmaste levande släktingarna till landväxter; det är en klass av sötvattens- och semi-terrestra alger med mer än 4 000 beskrivna arter.
Zygnematophyceae har anpassningar för att motstå terrestra stressfaktorer, såsom uttorkning, ultraviolett ljus, frysning och andra abiotiska påfrestningar. Nyckeln till att förstå dessa anpassningar är genomsekvenserna. Innan denna artikel var genomsekvenser endast tillgängliga för fyra encelliga Zygnematophyceae.
Yin sa att denna forskning stämmer överens med en av National Science Foundations 10 stora idéer - "Att förstå livets regler" - för att ta itu med samhälleliga utmaningar, från rent vatten till klimatmotståndskraft. Upptäckten har också betydelse inom tillämpad vetenskap, såsom bioenergi, vattenhållbarhet och kolbindning.
"Våra gennätverksanalyser avslöjar samuttryck av gener, särskilt de för cellväggssyntes och remodifieringar som utökades och erhölls i den sista gemensamma förfadern till landväxter och Zygnematophyceae," sa Yin.
"Vi kastar ljus över de djupa evolutionära rötterna till mekanismen för att balansera miljösvar och multicellulär celltillväxt."
Det internationella forskningssamarbetet omfattar cirka 50 forskare från 20 forskningsinstitutioner i åtta länder – USA, Tyskland, Frankrike, Österrike, Kanada, Kina, Israel och Singapore. Andra Husker-forskare i teamet är Chi Zhang, professor i biologiska vetenskaper, och Jeffrey Mower, professor i agronomy och trädgårdsodling.
Mer information: Xuehuan Feng et al, Genomer av flercelliga algsystrar till landväxter belyser signalnätverksutvecklingen, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01737-3
Tillhandahålls av University of Nebraska-Lincoln
