研究为10亿年的绿色植物进化提供了强有力的框架

1KP的研究为绿色植物进化提供了一个数据丰富的框架。

10亿年前,一个古老的藻类物种一分为二,开始了绿色植物的进化,导致了我们今天拥有的近50万种不同的物种。现在,一个由植物科学家组成的国际联盟已经从1100多个植物物种中每个物种生成了数千个基因序列,为了解这棵绿色生命之树的进化史提供了迄今为止最丰富的数据框架。

西北大学和芝加哥植物园的环境保护科学家诺曼·维克特是“一千种植物转录组计划”(1KP)的长期成员,该计划由近200名研究人员组成,进行了这项为期九年的研究。

研究人员对分布在所有主要陆生植物群及其绿藻亲戚中的成千上万种物种的基因进行了排序。他们的发现发表在10月31日出版的《自然》杂志的封面上。Wickett Nature Cover4

这项研究的一个关键发现是,进化史上的基本事件,如植物在陆地上的殖民化,可能遵循的步骤与之前认为的不同。另一个重要的发现是,基因和基因组的复制可能对殖民土地的挑战和适应新的环境很重要,因为土地上的环境随着时间的变化而变化。

威克特是这项研究的共同作者之一,他说:“确定植物或任何有机体之间的相互关系为了解地球生命史上重大事件的时间和意义提供了基础。”“我们需要了解这些关系的数据越多,我们就能越精确地做到这一点。我们的项目为我们提供了前所未有的数据集,不仅可以把植物的进化树放在一起,还可以了解不同历史时期基因的多样性和进化复杂性。”

维克特是西北大学温伯格文学院植物生物学和保护项目的副教授,也是芝加哥植物园的保护科学家。他对1KP研究的贡献包括帮助确定今天的植物和藻类是如何相互联系的,以及开发一些必要的数据处理方法,以便使用如此大量的数据进行比较。

阿尔伯塔大学(University of Alberta)教授Gane Ka-Shu Wong是该研究的首席研究员,也是该研究的共同通讯作者。另一位共同通讯作者是乔治亚大学(University of Georgia)植物生物学教授詹姆斯·利本斯-马克(James Leebens-Mack)。

花卉、水果和其他基因创新

“在生命之树中,一切都是相互关联的,”王说。“如果我们想要了解生命之树是如何运作的,我们需要研究物种之间的关系。这就是基因测序的用武之地。”

这些发现揭示了整个基因组复制的时间以及基因家族的起源、扩展和收缩,这些都有助于促进基本的基因创新,使绿藻、苔藓、蕨类、针叶树、开花植物和所有其他绿色植物谱系的进化。植物是如何以及何时获得长得高并产生种子、花朵和果实的能力的历史为了解地球上的植物多样性提供了一个框架,包括一年生作物和长寿的森林树种。

“我们推断生活植物物种之间的关系告诉我们,在十亿年前祖先的绿色藻类物种分裂成两个独立的进化谱系,包括开花植物,陆地植物和藻类组织和其他相关组成多样化绿藻植物进化一直伴有创新和快速多元化阶段,“Leebens-Mack说。

需要新的数据和计算工具

Leebens-Mack说:“为了将我们对基因和基因组进化的了解与对开花植物、苔藓和藻类生物基因功能的不断了解联系起来,我们需要产生新的数据来更好地反映所有绿色植物谱系的基因多样性。”

这项研究激发了社区的努力,在全球范围内收集和排序来自陆地和水生栖息地的各种植物谱系。100多个分类专家贡献物质领域和生活收集,包括中央收集藻的文化,皇家植物园,丘,爱丁堡皇家植物园亚特兰大植物园,纽约植物园,Fairylake植物园,深圳,佛罗里达自然历史博物馆,杜克大学,英属哥伦比亚大学植物园和阿尔伯塔大学的。

通过对广泛的植物物种样本进行基因排序和分析,研究人员能够更好地重建所有作物和模式植物祖先的基因内容,并获得使进化创新成为可能的基因和基因组复制的更完整的图像。

大规模的项目需要开发和改进新的计算工具,用于序列装配和系统发育分析。

Wong解释说:“华大基因的软件工程师们开发了新的算法来汇集为这个项目产生的大量基因序列数据。”

的计算机科学教授Tandy Warnow创始人,伊利诺伊大学香槟分校和Siavash Mirarab电气和计算机工程助理教授在加州大学圣地亚哥分校开发新的算法从数百个基因序列推断进化关系超过1000种,解决整个基因组异质性在进化历史。

专注于基因组复制

244个全基因组在绿色植物生命树中复制的时间是该项目的相关研究重点之一。

亚利桑那大学生态学和进化生物学副教授迈克·巴克(Mike Barker)说:“也许我们的分析中最大的惊喜是藻类中几乎没有全基因组复制。”

他说:“基于近20年来对植物基因组的研究,我们发现,平均开花植物基因组有近4轮祖先基因组复制,可追溯到3亿多年前所有种子植物的共同祖先。”“我们还在蕨类谱系中发现了多轮基因组复制,但在藻类谱系中几乎没有基因组复制的证据。”

除了基因组复制外,关键基因家族的扩展也促进了绿色植物多细胞性和复杂性的进化。

“通过复制事件的基因家族扩展促进了植物形态和功能在绿色生命树中的多样化,”合著者、德国哈雷大学作物生理学教授Marcel Quint说。“这样的扩展在陆地化期间,甚至在此之前被释放,为进化创新奠定了基础,包括种子的起源,以及后来花朵的起源。”

佛罗里达大学佛罗里达自然历史博物馆的合著者Pam Soltis说:“1KP提供的进化关系的观点导致了关于绿色植物关键结构和过程起源的新假设。”

大约10年前,黄齐耀通过Somekh家族基金会组织了私人资金,并得到了艾伯塔省政府的支持,以及中国深圳华大基因的先后承诺,启动1KP。一旦项目开始运作,额外的资源就来自于其他正在进行的项目,包括由美国国家科学基金会资助的iPlant(现在的CyVerse)。

这篇题为《一千种植物的转录组和绿色植物的系统基因组学》的论文发表在10月23日的《自然》杂志网络版上。序列、序列比对和树数据可通过CyVerse数据共享协议获得。

主题:研究,温伯格文理学院

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/11/study-provides-strong-framework-for-1-billion-years-of-green-plant-evolution/

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