蕨类植物最后得到一个完整的基因组

蕨类植物是臭名昭著的含有大量的DNA和过于大量的染色体。无视所有的预期,蕨类植物不超过一个餐盘目前保持着最高的标题染色体计数,与高达720对塞进它的每个细胞核。这个嗜好囤积的蕨类植物DNA一直困扰着科学家们,和他们的基因组的棘手的大小很难序列,装配和解释它们。

现在,两篇论文发表在杂志上自然植物是改写历史的第一个完整的基因组具同形孢子的蕨类植物,一大群,包含99%的所有现代蕨类植物多样性。

说:“每个基因组讲述了一个不同的故事,作者Doug Soltis佛罗里达自然历史博物馆的特聘教授。“蕨类植物是所有种子植物的亲缘关系最近,和它们产生化学威慑为农业研究食草动物可能是有用的。然而,直到现在,他们仍是去年绿色人生没有了基因组序列的主要血统。”

两个研究小组分别公布的基因组Ceratopteris(Ceratopteris richardii)本周四的飞翔的蜘蛛猴树蕨类植物(Alsophila spinulosa上个月)。

Ceratopteris基因组的分析提供了解决长期存在的神秘暗示为什么蕨类,平均而言,保留更多比其他植物DNA。比较基因组的其他团体也导致意外的发现,蕨类植物偷了几个anti-herbivory毒素的细菌的基因。

Ceratopteris基因组雄鹿一个几十年的理论,使得问题多于答案

自1960年代以来,最有利于解释为什么蕨类植物包含如此多的DNA调用猖獗全基因组复制,其中一组额外的染色体是意外地传递给生物体的后代。这有时是有益的,因为所有的额外的基因可以被用作原料的发展新特征。事实上,全基因组重复已经涉及到几乎所有的农作物的起源。

全基因组重复在植物,甚至一些动物很常见,但大多数生物倾向于抛弃多余的行李基因随着时间的推移,瘦身回到小基因组,新陈代谢更容易维护。

“这是一个主要的讨论在过去的半个世纪中,导致各种矛盾的结果,”作者布莱恩-马尔尚说,他是斯坦福大学的博士后学者和前佛罗里达州博物馆研究生。“试图找出这个悖论背后的进化过程是非常重要的。”

第一个完全组装具同形孢子的蕨类植物的基因组,科学家们终于准备解决这个问题,但这并不容易。测序的大型、复杂的基因组Ceratopteris接管了八年的工作,许多研究人员28日机构的共同努力在世界各地,包括美国能源部联合基因组研究所。最终结果是7.46碱基的DNA,人类基因组的大小的两倍多。

如果Ceratopteris增持DNA通过重复的基因组复制事件,研究人员期望大部分的39个染色体配对将是相同的。他们发现,而不是重复序列的好坏参半,数以百万计的短片段称为跳跃基因,占85%的蕨类植物的DNA。而不是多个基因组拷贝,Ceratopteris主要包含基因碎片经过数百万年的积累。

“功能基因被大量重复DNA分离。尽管我们还不能确定如何Ceratopteris和其他蕨类植物基因组是如此巨大,很明显,主流的观点不支持重复的基因组复制,”合著者Pam Soltis说佛罗里达博物馆馆长和特聘教授。

作者指出,还为时过早做出任何明确的结论,特别是因为这是第一个范围在这组进行分析。沿路交叉比较额外的蕨类植物基因组有助于描绘了一幅清晰的这些植物是如何进化的。

不过,结果指向一个明显差异具同形孢子的蕨类植物的方式管理他们的基因内容与几乎所有其他植物相比,军火商说。“我们似乎发现是开花植物,平均规模小得多的比蕨类植物基因组,只是更好地摆脱垃圾DNA。他们更善于把多余的染色体甚至裁员后小重复。”

蕨类植物多次偷了细菌毒素

仔细看看内DNA碱基对的数十亿Ceratopteris显示多个防御基因编码一种特别邪恶的造孔毒素。这些毒素结合细胞,他们成为激活,形成小空心打孔进入细胞膜的戒指。水洪水进入细胞通过产生的漏洞,导致它们破裂。

成孔毒素已经被科学家深入研究纳米孔技术的潜在用途,Marchant解释道。然而,通常他们发现的细菌。

“这是第一个混凝土这些细菌toxin-related基因在蕨类植物DNA的证据,”马尔尚说,指出相似并不是一个巧合。

而不是自己进化这种毒素,Ceratopteris似乎获得直接从细菌到这一过程被称为水平基因转移。鉴于有基因的多个副本分散在三个独立的染色体,这很有可能发生不止一次。

“有趣的是,这些基因的多个副本出现在植物的不同部分,”他说。“有些是茎和根中高度表达,而其他副本只在树叶表示,和其他一般表示在所有组织。我们不能确定这些基因的确切功能在这一点上,但是他们的相似性toxin-forming基因的细菌当然表明这些基因与国防有关的。”

这不会是第一次蕨类植物有注册的外资DNA基因组。一个2014年的研究表明蕨类植物可能已经进化特征能够生长在阴暗的环境下借贷的远亲的基因。

然而,生物是如何由数百万年的进化历程能够交换功能齐全的基因尚不清楚。

”背后的机制水平基因转移仍至少调查的地区之一的土地植物进化,”道格Soltis解释道。“在进化的时间尺度,这有点像中彩票。任何时候受伤的植物,其内部是容易受到微生物的入侵,但对于他们的DNA整合到基因组似乎不可思议。”

作者说这只是一长串的第一步研究与实际应用,从小说的发展生物农药创新新的保护策略。

几个作者参与当前的努力序列所有已知的真核生物的基因组在10年的时间框架。被称为地球Biogenome项目努力将生成的基因资源,研究人员将他们的手全面分析在可预见的未来。

参考:陈马尔尚DB, G, Cai年代,et al。动态蕨类植物基因组进化模型。自然植物。2022年。doi:10.1038 / s41477 - 022 - 01226 - 7。

本文从以下转载材料。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。