发布时间：2024-05-30 17:26:48 栏目：精选百科
大约 5.5 亿年前，植物生命首次出现在陆地上，由内布拉斯加大学林肯分校计算生物学家尹彦斌共同领导的国际研究小组破解了植物起源的基因组密码，这使得地球上包括人类在内的所有其他陆地生命的出现成为可能。
该团队由来自八个国家的约 50 名科学家组成，他们首次对四种 Zygnema 藻类菌株(陆生植物的近亲)进行了基因组测序。他们的发现揭示了植物适应环境的能力，并为未来的研究奠定了坚实的基础。
该研究于 5 月 1 日发表在《自然遗传学》杂志上。
“这是一个进化的故事，”尹教授说，他与一位德国科学家一起领导了研究小组。“它回答了最早的陆地植物是如何从水生淡水藻类进化而来的根本问题。”
尹教授在内布拉斯加州食品健康中心和食品科学与技术系的实验室长期研究植物细胞壁碳水化合物、生物燃料生产的木质纤维素以及保护农作物免受病原体和环境压力侵害的天然屏障。植物细胞壁碳水化合物是人类和农场动物膳食纤维的主要成分。
目前陆地上的所有植物生命都源自一次一次性的进化事件，即古代淡水藻类的植物陆生化。第一批陆地植物，即链藻门中的胚胎植物，大约在 5.5 亿年前出现在陆地上——它们的出现从根本上改变了地球的表面和大气。它们为未来的植物群和动物群的食物奠定了进化基础，使包括人类和动物在内的所有其他陆地生物成为可能。
研究人员研究了四种 Zygnema 属藻类菌株，其中两种来自的一个培养物保藏中心，另外两种来自德国。科学家结合了一系列尖端的 DNA 测序技术来确定这些藻类的整个基因组序列。这些方法使科学家能够在整个染色体水平上为这些生物生成完整的基因组，这是以前从未对这类藻类做过的事情。将这些基因组与其他植物和藻类的基因组进行比较，发现了细胞壁酶、信号基因和环境反应因子的特定过量。
奥地利因斯布鲁克大学、德国汉堡大学和内布拉斯加州大学林肯分校生物技术中心的显微成像显示，这些藻类的一个独特特征是细胞壁外有一层厚而粘稠的碳水化合物层，称为粘液层。论文第一作者、Husker 博士后研究员冯学焕开发了一种新的有效 DNA 提取方法，可以去除这层粘液层，从而获得高纯度和高分子量的 DNA。
“令人着迷的是，这些遗传构件的起源比陆地植物早了数百万年，但在植物和藻类的祖先中却发生了复制和多样化，从而推动了更专业的分子机制的进化，”莱布尼茨生物多样性变化分析研究所的 Iker Irisarri 说道，他也是该论文的共同第一作者。
研究团队的另一位联合负责人、哥廷根大学的 Jan de Vries 表示：“我们不仅为整个植物科学界提供了宝贵的高质量资源，让他们现在可以探索这些基因组数据，而且我们的分析还揭示了环境反应之间错综复杂的联系。”
四种多细胞的 Zygnema 藻类属于 Zygnematophyceae 纲，是现存陆地植物的近亲;它是一类淡水和半陆生藻类，已描述的种类超过 4,000 种。Zygnematophyceae 具有抵抗陆地压力源(如干燥、紫外线、冰冻和其他非生物压力)的适应能力。了解这些适应能力的关键是基因组序列。在本文发表之前，只有四种单细胞的 Zygnematophyceae 的基因组序列可用。
尹教授表示，这项研究符合国家科学基金会的 十大理念之一 ——“理解生命规则”，旨在解决从清洁水到气候适应等社会挑战。这一发现对生物能源、水资源可持续性和碳封存等应用科学也具有重要意义。
Yin 表示：“我们的基因网络分析揭示了基因的共同表达，尤其是那些用于细胞壁合成和重新修饰的基因，这些基因在陆生植物和双带藻纲的最后共同祖先中得到了扩展和获得。”“我们揭示了平衡环境反应和多细胞细胞生长机制的深层进化根源。”
这项国际研究合作包括来自 8 个国家 20 个研究机构的约 50 名研究人员——德国、法国、奥地利、加拿大、中国、以色列和新加坡。团队中的其他 Husker 研究人员包括生物科学教授张驰和农学与园艺学教授 Jeffrey Mower。
内布拉斯加州大学林肯分校部分研究的资金主要来源于尹朝阳的国家科学基金会职业奖、内布拉斯加州烟草和解生物医学研究促进基金、国立卫生研究院以及农业和。
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