Ferigile obțin în sfârșit un genom complet

Se știe că ferigile conțin cantități masive de ADN și un număr excesiv de mare de cromozomi. Sfidând toate așteptările, o ferigă nu mai mare decât o farfurie deține în prezent titlul pentru cei mai mulți cromozomi, cu 720 de perechi înghesuite în fiecare dintre nucleele sale. Această înclinație a ferigilor pentru tezaurizarea ADN-ului i-a derutat pe oamenii de știință, iar dimensiunea insolubilă a genomului lor a făcut dificilă secvențierea, asamblarea și interpretarea acestora.

Acum două articole publicate în jurnal plante naturale rescriu istoria cu primii genomi completi pentru ferigile homosporoase, un grup mare care conține 99% din toată diversitatea ferigilor moderne.

„Fiecare genom spune o poveste diferită”, a spus coautorul Doug Soltis, profesor distins la Muzeul de Istorie Naturală din Florida. „Ferigile sunt rudele vii cele mai apropiate ale tuturor plantelor cu semințe și produc substanțe chimice de descurajare a erbivorelor care pot fi utile pentru cercetarea agricolă. Cu toate acestea, până acum, ele au rămas ultima generație majoră a vieții verzi fără o secvență a genomului”.

Două echipe de cercetători au dezvăluit separat genomul lui Ceratopteris (Ceratopteris richardii) joia aceasta și cea a păianjenului zburător al maimuței ferigă de copac (Alsophila spinulosa) luna trecuta.

Analiza genomului Ceratopteris oferă indicii pentru a rezolva misterul de lungă durată de ce ferigile, în medie, rețin mai mult ADN decât alte plante. Comparațiile cu genomurile din alte grupuri au condus, de asemenea, la descoperirea surprinzătoare că ferigile au furat genele pentru mai multe dintre toxinele lor anti-erbivore din bacterii.

Genomul Ceratopteris zboară în fața unei teorii veche de zeci de ani, lăsând mai multe întrebări decât răspunsuri

Începând cu anii 1960, cea mai populară explicație a motivului pentru care ferigile conțin atât de mult ADN a invocat dublări pe scară largă a întregului genom, în care un set suplimentar de cromozomi este transmis accidental descendenților unui organism. Acest lucru poate fi uneori benefic, deoarece toate genele suplimentare pot fi apoi folosite ca materie primă pentru evoluția noilor trăsături. De fapt, duplicarea întregului genom a fost implicată în originea aproape tuturor plantelor cultivate.

Dublarea întregului genom este obișnuită la plante și chiar la unele animale, dar majoritatea organismelor tind să renunțe la bagaj genetic suplimentar în timp, reducându-se la genomi mai mici, care sunt mai ușor de întreținut din punct de vedere metabolic.

„Acesta a fost un punct de discuție major în ultima jumătate de secol și a dus la tot felul de rezultate contradictorii”, a declarat autorul principal Blaine Marchant, un postdoctoral la Universitatea Stanford și fost student absolvent al muzeului din Florida. „Încercarea de a înțelege procesul evolutiv care stă la baza acestui paradox este extrem de importantă”.

Odată cu primii genomi de ferigă homosporoasă complet asamblate, oamenii de știință au fost în sfârșit gata să răspundă la această întrebare, dar să ajungă acolo nu a fost ușor. Secvențierea genomului mare și complex al Ceratopteris a necesitat mai mult de opt ani de muncă și eforturile combinate a zeci de cercetători din 28 de instituții din întreaga lume, inclusiv Institutul Comun al Genomului al Departamentului de Energie al SUA. Rezultatul final a fost 7,46 gigabaze de ADN, de peste două ori dimensiunea genomului uman.

Dacă Ceratopteris ar fi acumulat ADN din evenimente repetate de duplicare a genomului, cercetătorii se așteptau ca părți mari din cele 39 de perechi de cromozomi să fie identice. Ceea ce au găsit, în schimb, a fost un amestec de secvențe repetitive și milioane de fragmente scurte numite gene de săritură, care au alcătuit 85% din ADN-ul ferigii. În loc de copii multiple ale genomului, Ceratopteris conține în principal resturi genetice acumulate de-a lungul a milioane de ani.

„Genele funcționale sunt separate de cantități mari de ADN repetitiv. Și, deși nu știm încă cum au devenit atât de mari Ceratopteris și alți genomi de ferigă, este clar că punctul de vedere predominant al episoadelor repetate de duplicare a genomului nu este susținută”, a spus coautorul Pam Soltis, curator al Muzeului din Florida și profesor eminent. . .

Autorii notează că este prea devreme pentru a trage concluzii definitive, mai ales că aceasta este prima analiză a domeniului său de aplicare efectuată în acest grup. Comparațiile încrucișate cu alte genomi de ferigă de pe drum vor ajuta la realizarea unei imagini mai clare a modului în care au evoluat aceste plante.

Cu toate acestea, rezultatele indică o diferență clară în modul în care ferigile homosporoase își gestionează conținutul genetic în comparație cu aproape toate celelalte plante, a spus Marchant. „Ceea ce se pare că descoperim este că lucruri precum plantele cu flori, care au, în medie, genomul mult mai mic decât ferigile, sunt mai bune în a scăpa de ADN-ul nedorit. Sunt mai bune în a scăpa cromozomii de rezervă și chiar în a reduce dimensiunea după mici dublări.

Ferigile au furat în mod repetat toxinele din bacterii

O examinare mai atentă a miliardelor de perechi de baze de ADN din Ceratopteris a relevat gene multiple de apărare care codifică un tip deosebit de sinistru de toxină care formează pori. Aceste toxine se leagă de celule, unde se activează și formează mici inele goale care pătrund în membrana celulară. Apa intră în celule prin găurile rezultate, făcându-le să se rupă.

Toxinele porogene au fost studiate pe larg de oamenii de știință pentru utilizarea lor potențială în tehnologia nanoporilor, a explicat Marchant. Cel mai adesea, însă, se găsesc în bacterii.

„Aceasta este prima dovadă concretă pentru aceste gene bacteriene legate de toxine în ADN-ul ferigilor”, a spus Marchant, observând că similitudinea nu este o coincidență.

În loc să evolueze singură această toxină, Ceratopteris pare să fi obținut-o direct de la bacterii printr-un proces numit transfer orizontal de gene. Și având în vedere că au existat mai multe copii ale genei răspândite pe trei cromozomi separați, este probabil că acest lucru sa întâmplat de mai multe ori.

„Ceea ce este fascinant este că numeroasele copii ale acestor gene apar în diferite părți ale plantei”, a spus el. “Unele sunt foarte exprimate în tulpină și rădăcini, în timp ce alte copii sunt exprimate doar în frunze, iar altele sunt în general exprimate în toate țesuturile. Nu putem fi siguri de funcția exactă a acestor gene. în acest moment, dar asemănarea lor cu toxinele- formarea de gene în bacterii sugerează cu siguranță că aceste gene sunt legate de apărare.

Nu ar fi prima dată când ferigile au încorporat ADN străin în genomul lor. Un studiu din 2014 indică faptul că ferigile ar putea să-și fi evoluat capacitatea caracteristică de a crește în medii umbroase împrumutând gene de la plante îndepărtate.

Cu toate acestea, nu este clar modul în care organismele separate de milioane de ani de evoluție sunt capabile să schimbe gene complet funcționale.

„Mecanismele din spatele transferului orizontal al genelor rămân una dintre cele mai puțin studiate domenii ale evoluției plantelor terestre”, a explicat Doug Soltis. „Pe perioade de timp în evoluție, este un pic ca și cum ai câștiga la loterie. Ori de câte ori o plantă este rănită, interiorul acesteia este susceptibil la invazia microbilor, dar încorporarea ADN-ului lor în genom pare incredibilă.

Autorii spun că acesta este doar primul pas dintr-o serie lungă de studii cu aplicații practice, de la dezvoltarea de noi biopesticide la noi strategii inovatoare de conservare.

Câțiva dintre autori sunt implicați în efortul actual de a secvența genomurile tuturor organismelor eucariote cunoscute în decurs de 10 ani. Denumit Proiectul Biogenom Pământului, efortul va genera resurse genomice nespuse pe care cercetătorii vor avea mâinile pline pentru a le analiza în viitorul apropiat.

Referinţă: Marchant DB, Chen G, Cai S, et al. Evoluția dinamică a genomului într-o ferigă model. plante naturale. 2022. face:10.1038/s41477-022-01226-7.

Acest articol a fost republicat din următoarele documente. Notă: este posibil ca materialul să fi fost editat pentru lungime și conținut. Pentru mai multe informații, vă rugăm să contactați sursa citată.

Add Comment