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我科学家揭示植物祖先陆地化分子机制

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  11月14日,《细胞(CELL)》在线发表中国农业科学院深圳农业基因组研究所程时锋团队植物祖先陆地化研究成果。程时锋团队与来自德国、加拿大、俄罗斯和深圳华大基因的科学家联合报道了两个单细胞绿藻基因组,及其与陆地植物共同的祖先在5亿年前突破干旱适应成功登陆的分子机制。该研究揭示了陆地植物祖先“借用”土壤细菌基因的遗传物质创新以驱动漫长的陆地化进程。

  在植物从水生到陆生,从简单到复杂的演化过程中,经历过很多重要的关键突破和进化创新,祖先植物陆地化是其中的重大事件之一。在基因组学时代,系统比较进化基因组学是从基因挖掘层面研究祖先植物陆地化分子基础的强有力策略。

 

绿藻及陆地植物祖先演化树

 

  该研究证明双星藻纲早期分化出来的一个新发现的基部陆生生活单细胞绿藻,Spirogloea muscicola,是所有陆地植物最近缘的共同祖先。该论文同时测序和分析了另外一个淡水生活的双星藻纲基因——Mesotaenium endlicherianum。通过比较进化基因组学研究发现,之前被认为是陆地植物才有的很多转录因子,或与植物激素、抗旱抗逆等相关的基因家族,在该绿藻基因组上都能找到其祖先起源的“根”。

 

绿藻与陆地植物共同祖先的基因与家族创新

 

  该研究发现绿色植物共同祖先基因组从土壤细菌中“借”来了两个关键基因:GRAS和PYL,这是大自然自发的“遗传工程事件”,也是陆地植物祖先适应陆地生境的关键分子驱动力。GRAS与植物生长、发育和抗逆等重要代谢途径相关;PYL则是脱落酸ABA遗传通路中重要的受体因子。此前这两个关键基因一直被认为是陆地植物所特有的。研究团队第一次将其“祖先的根”追溯到了双星藻纲的两个基因组上,并证明其起源于一次从土壤细菌中来的水平基因转移事件,并通过分子系统进化分析,发现这次水平基因转移事件发生的时间约为6亿年前,与植物陆地化上岸前的化石时间相吻合。

祖先陆地植物从土壤细菌中“借来”关键基因:GRAS和PYL

 

  该研究得到中国农科院科技创新工程、深圳市科创委、广东省岭南实验室和华大基因资助。(通讯员 赵华)

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