Genetinis dubliavimasis, susijęs su pušų ir jų giminaičių kilme ir raida

DNR dubliavimasis atliko pagrindinį vaidmenį plėtojant „Gymnosperm“

Nauji tyrimai rodo, kad šiuolaikinių gimnospermų protėvio, sėklinių augalų grupės, kurioje yra kiparisų ir pušų, genomo dubliavimasis galėjo prisidėti prie grupės atsiradimo daugiau nei prieš 350 milijonų metų. Autorius: Kristen Grace / Floridos gamtos istorijos muziejus

Plants yra DNR kolekcininkai. Laikydamiesi maksimalaus niekada neišmesdami nieko, kas gali būti naudinga vėliau, jie dažnai dubliuoja visą savo genomą ir kabo ant papildomo genetinio bagažo. Visi šie papildomi genai gali mutuoti ir sukurti naujas fizines savybes, pagreitindami evoliucijos greitį.

Naujas tyrimas parodė, kad tokie dubliavimosi įvykiai turėjo didelę reikšmę evoliucijos metu gimnospermose – įvairioje sėklinių augalų grupėje, apimančioje pušis, kiparisus, sekvojus, ginkmedžius ir cikladus. Paskelbta 2021 m. Liepos 19 d Natūralūs augalai, tyrimas rodo, kad genomo dubliavimasis šiuolaikinių gimnospermų protėvyje daugiau nei prieš 350 milijonų metų tiesiogiai prisidėjo prie grupės formavimosi. Vėlesni dubliavimai suteikė žaliavos naujoviškoms savybėms kurti, kurios leido šiems augalams išlaikyti dramatiškai besikeičiančias ekosistemas, ir padėjo pagrindą naujausiam atgimimui per pastaruosius 20 milijonų metų.

„Šis įvykis jų evoliucijos pradžioje sukūrė galimybę genams vystytis ir sukurti visiškai naujas savybes, kurios gali padėti perkelti gimnospermus į naują buveinę ir padėti jiems atsirasti ekologiškai“, – sakė neseniai Floridos muziejaus daktaro laipsnis Gregory Stullas. Floridoje, sakė. Gamtos istorija ir pagrindinis tyrimo autorius.

Daugiau nei 40% Gymnosperm grasino išnykimu

Kai kurių spyglių ir medžių rūšių paplitimas yra labai ribotas, todėl dėl klimato pokyčių ir buveinių praradimo jiems gresia išnykimas. Šie spygliuočiai, Araucaria goroensis, dar žinomi kaip beždžionių medis, ir Dacrydium araucarioides yra būdingi tik Naujajai Kaledonijai. Autorius: Nicolas Anger

Atidžiau pažvelk į gimnospermas

Nors yra daugiau nei du chromosomų rinkiniai – reiškinys vadinamas poliploidija – jis retas gyvūnams, tačiau augalams – dažnas. Pavyzdžiui, dauguma vaisių ir daržovių, kuriuos mes valgome, yra poliploidai, kurie dažnai apima dviejų glaudžiai susijusių rūšių hibridizaciją. Daugelis augalų, įskaitant kviečius, žemės riešutus, kavą, avižas ir braškes, gauna naudos iš daugybės skirtingų DNR kopijų, o tai gali lemti greitesnius augimo tempus ir padidinti jų dydį bei svorį.

Tačiau iki šiol nebuvo aišku, kaip poliploidija gali paveikti gimnospermų evoliuciją. Nors augalų karalystėje yra vieni didžiausių genomų, jų chromosomų skaičius yra mažas, o mokslininkai dešimtmečius turėjo manyti, kad poliploidija šiuose augaluose nebuvo tokia įprasta ar svarbi.

Gymnosperm genetika taip pat yra sudėtinga. Dėl didelių jų genomų sunku juos tyrinėti, o didžiąją jų DNR dalį sudaro kartotinės sekos, kurios nieko nekoduoja.

DNR kopija, susieta su unikalių „Gymnosperm“ bruožų evoliucija

Kai kurie gimnospermo bruožai, tokie kaip kūgio struktūra, spalva, forma ir dydis, galėjo atsirasti dėl daugkartinio genomo dubliavimo. Tai Callitris pancheri rūšies kūgio patelė. Autorius: Nicolas Anger

„Gimnospermų genomus apsunkina tai, kad jie, atrodo, linkę kaupti daugybę pasikartojančių elementų“, – sakė tyrimo bendraautorius Douglasas Soltis, Floridos muziejaus kuratorius. Floridos universitetas pagrindinis profesorius. “Daiktai, tokie kaip ginkmedžiai, cikladai, pušys ir kiti spygliuočiai, yra pakrauti visa tai kartojančia medžiaga, neturinčia nieko bendra su genomo dubliavimusi.”

Tačiau neseniai augalų biologų, įskaitant „Soltis“, pastangos gauti daug genetinių sekų iš daugiau nei 1000 augalų atvėrė naujas duris mokslininkams, bandantiems sudaryti ilgą sausumos augalų evoliucijos istoriją. Stullas, dabar Kinijos mokslų akademijos Kunmingo botanikos instituto podoktorantas, ir jo kolegos panaudojo šių duomenų derinį ir naujai sukurtas serijas, kad gimnospermams suteiktų dar vieną išvaizdą.

Dėl genomo dubliavimo atsirado gimnospermų

Lygindami gyvų gimnospermų DNR, mokslininkai galėjo atsigręžti į praeitį ir atrasti kelių senovės genomo dubliavimo įvykių, sutapusių su didelių grupių kilme, įrodymus.

Gimnazistai per visą ilgą istoriją patyrė didelį išnykimą, todėl buvo sunku iššifruoti tikslų jų santykių pobūdį. Tačiau visų gyvų gimnospermų genomai turi senovės dubliavimosi tolimoje praeityje, daugiau nei prieš 350 milijonų metų, parašą. Praėjus daugiau nei 100 milijonų metų, dar vienas dubliavimasis sukėlė pušų šeimą, o dėl trečiosios atsirado podokarpai – grupė, kurioje daugiausia medžių ir krūmų, kurie šiandien yra tik Pietų pusrutulyje.

Abiem atvejais analizės parodė tvirtą ryšį tarp DNR pasikartojimo ir unikalių bruožų vystymosi. Nors norint ateityje tiksliai nustatyti, kokie bruožai atsirado dėl poliploidijos, reikalingi būsimi tyrimai, potencialūs kandidatai yra keistos į kiaušinius panašios medžių šaknys, kuriose yra azotą fiksuojančių bakterijų, ir skirtingos kūgio struktūros, randamos šiuolaikiniuose spygliuočiuose. Pavyzdžiui, Podokarpo spurgai yra labai modifikuoti ir apgaulingai atrodo kaip vaisiai, sakė Stullas: “Jų kūgiai yra labai mėsingi, turi skirtingas spalvas ir juos platina skirtingi gyvūnai”.

Konkurencija ir klimato kaita lėmė nykimą ir įvairinimą

Stullas ir jo kolegos taip pat norėjo sužinoti, ar genomo dubliavimasis turėjo įtakos naujų gimnospermų rūšių vystymosi greičiui bėgant laikui. Tačiau vietoj aiškaus modelio jie pastebėjo sudėtingą išnykimo ir diversifikacijos sąveiką reikšmingai besikeičiančio pasaulio klimato fone.

Šiuo metu yra apie 1000 gimnastikos rūšių, kurios gali atrodyti nedaug, palyginti su 300 000 žydinčių augalų rūšių. Tačiau savo klestėjimo laikais gimnospermai buvo daug įvairesni.

Gymnosperms vis dar klestėjo prieš asteroidų išnykimą prieš 66 milijonus metų, geriausiai žinomą dėl dinozaurų nykimo. Tačiau dramatiški ekologiniai pokyčiai, sukėlę poveikį, nulėmė svarstykles: dinozaurams išnykus, žydintys augalai greitai pradėjo konkuruoti su gimnospermo linijomis, dėl kurių daugybė išnyko. Kai kurios grupės buvo visiškai išnaikintos, o kitoms iki šiol vos pavyko. Pavyzdžiui, kadaise klestėjusią ginkmedžių šeimą šiandien atstovauja viena gyva rūšis.

Tačiau šio tyrimo rezultatai rodo, kad bent jau kai kurios gimnospermo grupės grįžo maždaug prieš 20 milijonų metų, sutampant su žemės perėjimu į vėsesnį, sausesnį klimatą.

„Mes matome istorijos taškus, kai gimnospermų ne tik toliau mažėjo, bet iš tikrųjų jie taip pat išsiskirstė pagal rūšių skaičių, suteikdami dinamiškesnį vaizdą apie jų evoliucijos istoriją“, – sakė bendraautorė Pamela Soltis, Floridos muziejaus kuratorė ir UF. pagrindinis profesorius.

Kai kurie gimnospermai nesugebėjo susidoroti su dvigubu klimato kaitos ir konkurencijos spektru, kiti turi pranašumą tam tikrose buveinėse dėl savybių, kurias jie prarado savo senovės konkurencijoje su žydinčiais augalais. Tokios grupės kaip pušis, eglė, eglė ir džinas turi naują pradžią.

„Tam tikrais būdais gimnospermai gali būti ne tokie lankstūs“, – sakė Pamela Soltis. Jie turi „palaukti“, kol klimatas bus palankesnis paįvairinti.

Kai kuriose aplinkose gimnospermai buvo pritaikyti gyventi ypatingai. Pušynuose Šiaurės Amerikos pietryčiuose ilgalapė pušis yra pritaikyta dažniems gaisrams, kurie degina jų konkurenciją, o spygliuočiai vyrauja borealiniuose miškuose tolimoje šiaurėje. Bet pašalinkite ugnį ar šaltį, ir žydintys augalai pradeda greitai įsiveržti.

Kol gimnospermai vis dar įvairuoja, juos nutraukė žmogaus sukelti pokyčiai. Šiuo metu daugiau nei 40% gimnospermų gresia išnykimas dėl bendro klimato kaitos ir buveinių praradimo spaudimo. Būsimi tyrimai, paaiškinantys, kaip jų pagrindinė genetika leido jiems tęsti šią dieną, gali suteikti mokslininkams geresnę sistemą, kad jie išliktų ateityje.

„Nors kai kurios adatų ir cikladų grupės per pastaruosius 20 milijonų metų smarkiai paįvairėjo, daugelio rūšių paplitimas yra labai ribotas ir joms gresia išnykimas“, – sakė Stullas. “Pastangos sumažinti buveinių praradimą greičiausiai bus būtinos norint išsaugoti daugybę rūšių, kurioms šiuo metu gresia išnykimas”.

Tyrėjai pateikė savo išvadas Natūralūs augalai.

Nuoroda: „Genų dubliavimasis ir filogenetinis konfliktas yra pagrindiniai fenotipinės evoliucijos impulsai gimnospermose“, Gregory W. Stull, Xiao-Jian Qu, Caroline Parins-Fukuchi, Ying-Ying Yang, Jun-Bo Yang, Zhi-Yun Yang, Yi Hu, Hong Ma, Pamela S. Soltis, Douglas E. Soltis, De-Zhu Li, Stephen A. Smith ir Ting-Shuang Yi, 2021 m. Liepos 19 d., Natūralūs augalai.
DOI: 10.1038 / s41477-021-00964-4

Kiti tyrimo bendraautoriai yra Xiao-Jian Qu iš Shandong Normal universiteto; Caroline Parins-Fukuchi iš Čikagos universitetas; Kinijos mokslų akademijos Ying-Ying Yang, Jun-Bo Yang, Zhi-Yun Yang, De-Zhu Li ir Ting-Shuang Yi; Yi Hu ir Hong Ma iš Pensilvanijos valstybinio universiteto; ir Stephenas Smithas iš Mičigano universiteto.

Tyrimą finansavo Kinijos mokslų akademija, Kinijos nacionalinis mokslo fondas, Junano provincijos „Yunling“ tarptautinė aukštųjų ekspertų programa ir Šandongo provincijos mokslo fondas. Stullas taip pat gavo paramą iš CAS prezidento tarptautinės stipendijų iniciatyvos ir Kinijos mokslų daktarų mokslo fondo tarptautinės podoktorų mainų programos.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pasukite 3D ritmą Marse ir ištirkite NASA ištvermę

NASA „Mars Perseverance“ roveris rodomas jo stotelėje prie Jezero kraterio, tokiu būdu peržiūrėjus iš „Naršykite ištvermingai“ 3D žiniatinklyje. Šis interaktyvus žiniatinklio įrankis turi...

Prieš 400 000 metų senovės žmonės išsaugotus dramblius pavertė nuostabiais kaulų instrumentais

Kaulų įrankiai buvo iškasti iš Castel di Guido Italijoje. Kreditas: Villa ir kt. 2021 PLOS TASI Senovės žmonės galėjo padaryti nuostabių dalykų su...

Šimtai erelio ruonių, apvyniotų meškerėmis ir tinklais, kasmet sukelia siaubingus sužalojimus ir skaudžias mirtis.

Žvejybos tinklai ir tinklai daro didelę įtaką kailių ruoniams (Arctocephalus pusillus), labiausiai paplitę jūrų žinduoliai, buvo pastebėti Pietų Afrikos ir Namibijos pakrantėse, kur jie...

FDP balsavo 16: 2 ir atmetė Piper vakcinos „oster A“ vakcinos platinimą plačiajai visuomenei.

Šiuo metu nėra trečiosios Kovid-19 vakcinos. Pirmaujanti Maisto ir vaistų administracijos (FDA) mokslinė patariamoji taryba balsavo už tai, kad plačiajai visuomenei būtų atsisakyta suteikti „Pfizer“...

Elon Musk Tesla Bot kelia rimtą susirūpinimą

„Tesla“ kitais metais ketina pristatyti humanoidinio roboto prototipą. Paskola: Tesla Elonas Muskas paskelbė apie humanoidinį robotą, skirtą padėti šioms pasikartojančioms, varginančioms užduotims, kurių žmonės...

Newsletter

Subscribe to stay updated.