10亿多年的进化因遗传测序为1,100株植物而亮起

项目提供跨植物生命树的遗传数据

1KP倡议是一个近200家科学家的合作努力,跨越绿藻,为陆地植物提供了一个框架,用于检查10亿多年的植物演化。信誉:Eric Zamora /佛罗里达博物馆

P植物是进化的冠军,在超过十亿年的时间里主宰着地球的生态系统,使这个星球适合包括我们在内的无数其他生命形式居住。现在,科学家们已经完成了长达九年的基因探索,揭示了陆生植物和绿藻漫长而复杂的历史,揭示了这一超级有机体群的曲折情节和迅猛崛起的步伐。

项目,被称为1000株植物转录组计划(1KP),将近200株植物生物学家汇集在一起​​,分析来自跨越绿树绿树的1,100种植物物种的基因。团队调查结果的摘要发表2019年10月23日,《自然》。

“在生命之树中,一切都是相互关联的,”艾伯塔大学生物科学大学1kp和教授的领导调查员Gane Ka-Shu Wong说。“如果我们想了解生命之树的工作原理,我们需要检查物种之间的关系。这就是遗传测序进来的地方。“

许多植物研究集中在农作物和少数模式物种上,掩盖了一个拥有近50万个物种的分支的进化背景。

为了获得植物进化的鸟瞰图,1KP团队对转录组(一组积极表达的基因)进行了测序,以阐明绿藻、苔藓、蕨类、针叶树、开花植物和所有其他绿色植物谱系的基因基础。

关键植物类群基因组复制和基因扩增的追踪

植物演进的一个标志是基因组重复的频率。开花植物着名用于制备其基因组的多份,这可能有助于新基因功能的演变。1KP项目未发现此组中的先前未知的复制事件。信誉:克里斯汀格雷斯/佛罗里达博物馆

“只要看着所有集中在进化树的一小部分的作物,就可以获得更广泛的观点,这是一个集中在进化树的一小部分中,”研究共同作者帕梅拉索尔蒂斯说,佛罗里达大学佛罗里达自然历史博物馆馆长。“有了这个更大的图景,你就可以了解基因组发生了怎样的变化,这样你就可以调查物理特征、化学或任何其他你感兴趣的特征的变化。”yabovip2021

佛罗里达大学杰出教授、佛罗里达博物馆馆长道格拉斯·索尔蒂斯(Douglas Soltis)是这项研究的合著者,他说,挑战之一在于项目的规模。

“研究这么多基因组是无与伦比的,”他说。“与其说这是技术上的飞跃,不如说是规模上的飞跃。”

测序转录组需要新收集的组织,这就是索尔蒂斯带着液氮容器徒步穿越盖恩斯维尔的绿地的原因。回到实验室,一个团队从冰冻的植物剪发中提取了遗传物质,并将提取的物质运到中国进行测序。在世界各地,他们的同事也纷纷效仿。

分析这些序列还需要对现有的软件进行重新设计,而现有的软件并不是用来处理如此庞大的基因数据的,而且在没有资金支持分析的情况下,研究人员利用空闲时间不断修改数据。

帕梅拉·索尔蒂斯说,劳动力值得这一点。

“植物群落得到了1000多组序列,”同时担任佛罗里达大学生物多样性研究所所长的索尔蒂斯说。“谁能反驳呢?”所有这些生命之树的枝叶都被填满了。”

植物进化的一个特征是基因组复制的频率,这在动物身上很少见。一次又一次,血统增加了两倍、三倍甚至四倍,导致了巨大的基因组。虽然全基因组复制的目的还不清楚,但科学家们怀疑它可能会推动进化创新:如果你有两个基因副本,其中一个副本可以逐渐进化出新的功能。

道格拉斯·索尔蒂斯说,解决植物中全基因组重复频率的频率是1kp的目标之一。虽然开花植物和蕨类植物已经着名以因基因组复制而闻名,但是,索尔蒂斯表示,1KP在这些群体中揭开了许多以前未知的复制事件,以及包括针叶树的植物组中的肥华。

其他的植物谱系则采取了不同的路线,扩展某些基因家族,而不是复制它们的整个基因组。这也被认为为进化发展提供了新的途径,而且不足为奇的是,研究小组在维管植物出现之前发现了基因的大规模扩展。维管植物是具有木质部和韧皮部的陆生植物,它们是运输水和营养物质的特殊细胞。

但Douglas Soltis表示,基因扩展并不总是对应于主要植物进化里程碑。

他说:“在种子植物或开花植物出现之前,没有太多的扩张。”“事实上,开花植物实际上缩小了某些基因家族,这可能表明它们只是利用现有基因来实现新功能。”

另一个惊喜的发现是苔藓,利物木和犀鸟形成一个相关的小组,确认了近几十年来逆转的几个历史悠久的假设。

“我们做了部分分析2014年,这表明这些植物是近亲,但很多人不相信。这些结果强调了这些发现,”Pamela Soltis说。“它将震撼苔藓世界。”

研究人员说,虽然该项目完善了我们对植物进化和血统之间关系的理解,但这些数据也是推进作物科学、医学和其他领域的宝贵工具。

Pamela Soltis说,鉴定了在开花植物中复制的基因可以帮助科学家更好地了解它们的功能,这可能导致作物改进。

由于许多植物具有药用效益,因此1KP项目提供的遗传数据可能导致改善人类健康的新发现。

道格拉斯·索尔蒂斯说:“我们专注于从已知的具有重要化学成分的植物谱系中收集大量野生样本,希望人们能够从这些物质中挖掘出新的化合物。”yabovip2021

由1KP团队生成的序列可以通过CyVerse数据共享系统公开访问。

“可能有数百篇论文以我们甚至不知道的方式使用了这些数据,”帕梅拉·索尔蒂斯说。“这是这项研究非常酷的一个方面。”

但是1KP团队几乎没有时间来庆祝他们的成就。下一个目标?10000的基因组测序。

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“一千种植物转录组和绿色植物的系统基因组学”,由一千种植物转录组倡议,2019年10月23日,《自然》杂志。
DOI:10.1038 / s41586-019-1693-2

佛罗里达博物馆的Matthew Gitzendanner, Evgeny Mavrodiev和Grant Godden以及佛罗里达大学生物系的Emily Sessa也共同撰写了这项研究。yabo124佐治亚大学的James Leebens-Mack是通讯作者之一。

The 1KP initiative was funded by the Alberta Ministry of Advanced Education and Alberta Innovates, Musea Ventures, the National Key Research and Development Program of China, the Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China, the State Key Laboratory of Agricultural Genomics and the Guangdong Provincial Key Laboratory. Sequencing activities at BGI were also supported by the Shenzhen Municipal Government of China. Computational support was provided by the China National GeneBank, the Texas Advanced Computing Center, WestGrid and Compute Canada. Additional support was provided by the National Science Foundation, the NSF-funded iPlant Collaborative, the National Institutes of Health, German Research Foundation and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.

上面的报价来自Gane Ka-Shu Wong首先出现在格鲁吉亚大学和艾伯塔大学发表的联合新闻稿中。

1评论“1100种植物的基因测序揭示了10亿年的进化历程”

  1. 布莱恩爱德华兹|2019年10月24日下午6:59|回复

    如果植物是从植物进化而来的,那为什么还会有植物呢?我打赌你们这些科学迷回答不了这个问题。哈哈

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