La vita vegetale è emersa per la prima volta sulla terra circa 550 milioni di anni fa e un gruppo di ricerca internazionale, guidato dal biologo computazionale Yanbin Yin dell'Università del Nebraska-Lincoln, ha decifrato il codice genomico delle sue umili origini, che ha reso possibile tutta la vita terrestre sulla Terra. compresi gli esseri umani.
Il team, composto da circa 50 scienziati in otto paesi, ha generato la prima sequenza genomica di quattro ceppi di alghe Zygnema, i parenti viventi più vicini delle piante terrestri. Le loro scoperte fanno luce sulla capacità delle piante di adattarsi all'ambiente e forniscono una ricca base per la ricerca futura.
Lo studio è stato pubblicato il 1 maggio sulla rivista Nature Genetics.
"Questa è una storia evolutiva", ha detto Yin, che ha guidato il gruppo di ricerca con uno scienziato tedesco. "Risponde alla domanda fondamentale su come le prime piante terrestri si sono evolute dalle alghe acquatiche d'acqua dolce."
Il laboratorio di Yin nel Nebraska Food for Health Center e nel Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari ha una lunga storia di studio sui carboidrati della parete cellulare delle piante, un componente importante delle fibre alimentari per gli esseri umani e gli animali da fattoria; lignocellulose per la produzione di biocarburanti; e barriere naturali per proteggere le colture da agenti patogeni e stress ambientali.
Tutta la vita vegetale attuale sulla terra è emersa da un evento evolutivo unico noto come terrestrializzazione delle piante da antiche alghe d’acqua dolce. Le prime piante terrestri, note come embriofite all'interno del clade delle streptofite, emersero sulla terra circa 550 milioni di anni fa; il loro arrivo cambiò radicalmente la superficie e l'atmosfera del pianeta.
Hanno reso possibili tutte le altre forme di vita terrestre, compresi gli esseri umani e gli animali, fungendo da base evolutiva per la flora futura e cibo per la fauna.
I ricercatori hanno lavorato con quattro ceppi di alghe del genere Zygnema, due provenienti da una collezione di colture negli Stati Uniti e due dalla Germania. Gli scienziati hanno combinato una serie di tecniche di sequenziamento del DNA all'avanguardia per determinare le sequenze dell'intero genoma di queste alghe.
Questi metodi hanno consentito agli scienziati di generare genomi completi per questi organismi a livello di interi cromosomi, cosa che non era mai stata fatta prima su questo gruppo di alghe. Il confronto dei genomi con quelli di altre piante e alghe ha portato alla scoperta di specifiche sovrabbondanza di enzimi della parete cellulare, geni di segnalazione e fattori di risposta ambientale.
Una caratteristica unica di queste alghe rivelata dall'imaging microscopico, eseguito presso l'Università di Innsbruck in Austria, l'Universität Hamburg in Germania e il Centro di biotecnologia dell'UNL, è uno strato spesso e altamente appiccicoso di carboidrati all'esterno delle pareti cellulari, chiamato strato di mucillagine.
Xuehuan Feng, il primo autore dell'articolo e ricercatore post-dottorato Husker, ha sviluppato un nuovo ed efficace metodo di estrazione del DNA per rimuovere questo strato di mucillagine per ottenere DNA ad elevata purezza e ad alto peso molecolare.
"È affascinante che gli elementi costitutivi genetici, le cui origini precedono le piante terrestri di milioni di anni, si siano duplicati e diversificati negli antenati delle piante e delle alghe e, così facendo, abbiano consentito l'evoluzione di macchinari molecolari più specializzati", ha affermato Iker Irisarri di l'Istituto Leibniz per l'analisi dei cambiamenti della biodiversità e co-primo autore dell'articolo.
L'altro co-leader del team, Jan de Vries dell'Università di Göttingen, ha dichiarato:"Non solo presentiamo una risorsa preziosa e di alta qualità per l'intera comunità scientifica vegetale, che ora può esplorare questi dati sul genoma, ma le nostre analisi hanno scoperto intricati connessioni tra le risposte ambientali."
Le quattro alghe multicellulari Zygnema appartengono alla classe Zygnematophyceae, i parenti viventi più stretti delle piante terrestri; è una classe di alghe d'acqua dolce e semiterrestri con più di 4.000 specie descritte.
Le Zygnematophyceae possiedono adattamenti per resistere a fattori di stress terrestri, come l'essiccazione, la luce ultravioletta, il congelamento e altri stress abiotici. La chiave per comprendere questi adattamenti sono le sequenze del genoma. Prima di questo articolo, le sequenze del genoma erano disponibili solo per quattro Zygnematophyceae unicellulari.
Yin ha affermato che questa ricerca è in linea con una delle 10 grandi idee della National Science Foundation – “Comprendere le regole della vita” – per affrontare le sfide sociali, dall’acqua pulita alla resilienza climatica. La scoperta ha un significato anche nelle scienze applicate, come la bioenergia, la sostenibilità dell'acqua e il sequestro del carbonio.
"Le nostre analisi della rete genetica rivelano la co-espressione di geni, in particolare quelli per la sintesi e le rimodificazioni della parete cellulare che sono stati espansi e acquisiti nell'ultimo antenato comune delle piante terrestri e delle Zygnematophyceae", ha affermato Yin.
"Facciamo luce sulle profonde radici evolutive del meccanismo per bilanciare le risposte ambientali e la crescita delle cellule multicellulari."
La collaborazione di ricerca internazionale comprende circa 50 ricercatori provenienti da 20 istituti di ricerca in otto paesi:Stati Uniti, Germania, Francia, Austria, Canada, Cina, Israele e Singapore. Altri ricercatori Husker del team sono Chi Zhang, professore di scienze biologiche, e Jeffrey Mower, professore di agronomia e orticoltura.
Ulteriori informazioni: Xuehuan Feng et al, I genomi delle sorelle algali multicellulari delle piante terrestri illuminano l'evoluzione della rete di segnalazione, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01737-3
Fornito dall'Università del Nebraska-Lincoln
