Как сообщалось в выпуске Cell от 5 октября 2017 г., международная группа, в состав которой входили исследователи из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI), Научно-исследовательского учреждения Министерства энергетики США, проанализировала последовательность генома печеночника обыкновенного (Marchantia polymorpha ) для выявления генов и семейств генов, которые считались решающими для эволюции растений и сохранялись в течение миллионов лет и в разных линиях растений. Работой руководили исследователи из Университета Монаш в Австралии, а также из Университета Киото и Университета Киндай в Японии.«Ранние растения, такие как печеночник, создали мир для наземных растений.
Без них у нас не было бы растений на расстоянии более двух футов от океана и пресной воды», — сказал руководитель программы DOE JGI Plant Program Джереми Шмутц. «Возвращаясь к печеночникам, мы находим гены, общие с травами, которые являются генами-кандидатами для сельскохозяйственных культур для производства биотоплива. Наземные растения начали с тех же частей, что и сегодня в Маршантии, поэтому все изменения вызваны такими факторами, как эволюция, полиплоидия, обмен генов и раундов отбора. Мы хотим знать, что делают гены, и мы делаем это, транслируя функции в разных геномах с использованием консервативных последовательностей.
Менее сложные геномы меньшего размера — например, в базовой или ранней модели растений, такой как печеночник, — дают нам возможность идентифицировать предковые гены для гена или семейства генов. Мы определяем функцию гена в растении и определяем, как этот ген работает, а затем мы идентифицируем другие гены, понимая историю эволюции гена или семейства генов на протяжении истории растений ».Секвенирование и аннотирование генома было выполнено в рамках программы общественных наук DOE JGI и позволяет проводить геномные сравнения с другими ранними линиями растений, секвенированными и проанализированными DOE JGI: мхом шиповником Selaginella moellendorffi и мхом Physcomitrella patens. Один из наиболее важных биохимических путей связан с выработкой гормона ауксина, который имеет решающее значение для регулирования роста и развития растений.
Команда определила минимальный, но полный путь биосинтеза ауксина в печеночнике. Другое открытие предполагает, что гены, кодирующие ферменты, продуцирующие «солнцезащитный крем», который позволял ранним растениям переносить ультрафиолетовый свет, возможно, были перенесены из древних почвенных микробов.
Один из самых важных выводов команды касается развития клеточной стенки растений. Разнообразие генов, кодирующих ферменты для развития клеточной стенки растений, обнаруженное в Marchantia, подчеркивает важность клеточных стенок растений для перехода к наземным растениям.
Команда определила гены раннего биосинтеза лигнина, похожие на гены Physcomitrella. Хотя они идентифицировали гены, участвующие в образовании плазмодесм (плазмодесмы — это мембранные каналы, участвующие в переносе питательных веществ и сигнальных молекул) пути, который участвует в делении клеток, они также обнаружили, что печеночники сохраняют остатки путей клеточного деления, предшествующие пути, специфичному для наземных растений.Другой важный вывод касается удержания и распределения воды.
Ранние растения должны были разработать стратегии борьбы с засухой и высыханием, и многие из этих стратегий до сих пор используются современными растениями. Абсцизовая кислота — это гормон стресса растений, который регулирует, когда растение переходит в состояние покоя при нехватке воды.
Команда обнаружила гомологичные гены для биосинтеза абсцизовой кислоты, а также смогла определить, когда конкретные рецепторы стали критическими для семейств наземных растений.Шмутц отметил, что благодаря Программе общественных наук, исследование эволюционной истории растений, проводимое DOE JGI, расширяется, что приводит к разработке системы сравнительной геномики, в том числе из ранних линий растений, таких как печеночники, которые приносят пользу сообществу исследователей растений в целом. «Чем больше мы накапливаем эту информацию в ранних линиях растений, тем легче будет передать функции растений через филогении растений и сравнить семейства растений, чтобы увидеть излучение этих генов. Мы немного больше сосредоточимся на базальных линиях растений. чтобы понять эволюционную историю и положение генов. Если мы сможем понять происхождение этих генов, тогда мы сможем понять историческую функцию.
Наличие нескольких видов позволяет нам делать больше и показывать больше, чем мы можем с одним геномом ».Изучая исходные функции генов, выясненные на основе геномов более ранних, более простых растений и клеток, ученые могут легче решать функции связанных генов, наблюдаемых в более сложных растениях, что может помочь в решении задач Министерства энергетики в области биоэнергетики и экологических процессов.