Геном водоросли проливает свет на происхождение первых наземных растений

Исследователи из Корнеллского университета секвенировали и проанализировали геном одноклеточной водоросли, принадлежащей к ближайшей к наземным растениям линии. Это дало множество ключей к пониманию того, как водные растения впервые колонизировали сушу.

Отчёт «Геном Penium margaritaceum: характерные черты происхождения наземных растений» был опубликован 21 мая в журнале Cell.

Penium margaritaceum относится к группе пресноводных водорослей — харофитов, а именно к подгруппе Zygnematophyceae. У них был общий предок с первыми наземными растениями около 600 миллионов лет назад. Для перехода из воды на сушу растениям пришлось защищаться от высыхания и ультрафиолетового (УФ) излучения, а также развить структуры для поддержки без выталкивающей силы воды.

В геноме Penium исследователи обнаружили «следы» всех этих адаптаций, что даёт представление о необходимых ранним наземным растениям механизмах и генетике.

«Мы почти ничего не знали о геномах непосредственных предков наземных растений», — сказал старший автор Джоселин Роуз, профессор биологии растений.

«Теперь у нас есть захватывающее представление о последнем общем предке водорослей и наземных растений», — отметил Роуз. Это позволяет делать выводы о происхождении молекулярных путей, систем развития и биологических процессов у наземных растений.

Хотя некоторые харофиты имеют разветвлённую форму, молекулярные данные показывают, что общий предок имел более простую нитевидную форму.

«Нас очень интересует, почему простая форма тела могла быть эволюционно выгодной», — сказал Роуз. «Penium обитает на границе пресной воды и суши, в местах, где он подвергается периодам высыхания и регидрации, и это, вероятно, было ключевым фактором».

Сложности и открытия в огромном геноме

Геном Penium содержит большое количество повторяющейся и «мусорной» (некодирующей) ДНК, что создавало сложности. Исследователям пришлось извлекать чистую ДНК из очищенных ядер и интегрировать множество методов секвенирования и программ сборки. Также было проведено передовое секвенирование транскриптома (РНК).

«Мы выяснили, что геном огромен», — сказал Чжанцзюнь Фэй, профессор биоинформатики. Он занимался вычислительной работой и секвенированием.

Геном этой крошечной одноклеточной водоросли даже больше, чем печально известный большой геном кукурузы и геном человека.

Ключевые генетические находки

• Флавоноиды и защита от УФ-излучения: «Один большой результат — мы обнаружили флавоноиды, соединения, которые могут защищать от УФ-излучения», — сказал Фэй. Ранее считалось, что эти соединения существуют только у наземных растений. Обнаружены не только сами флавоноиды, но и части пути их биосинтеза.
• Регуляторные системы: Выявлены гены, вовлечённые в регуляторные системы и гормональную сигнализацию, ранее обнаруженные только у наземных растений.
• Защита от высыхания: Обнаружены механизмы, препятствующие высыханию, включая производство слизи.
• Клеточная стенка: Найдено большое количество генов, способствующих биосинтезу и реорганизации клеточной стенки, что необходимо для структурной поддержки. «Это говорит о высоко сложном контроле структуры, динамики и биомеханических свойств стенки», — отметил Роуз.

Исследователи полагают, что геном Penium откроет новые направления во многих областях биологии растений, включая возможные применения для современных сельскохозяйственных культур. Команда планирует изучить геномы других видов харофитов.