La vida vegetal surgió por primera vez en la tierra hace unos 550 millones de años, y un equipo de investigación internacional codirigido por el biólogo computacional Yanbin Yin de la Universidad de Nebraska-Lincoln ha descifrado el código genómico de sus humildes comienzos, que hicieron posible toda otra vida terrestre en la Tierra. incluidos los humanos.
El equipo, formado por unos 50 científicos de ocho países, ha generado la primera secuencia genómica de cuatro cepas de alga Zygnema, los parientes vivos más cercanos de las plantas terrestres. Sus hallazgos arrojan luz sobre la capacidad de las plantas para adaptarse al medio ambiente y proporcionan una base rica para futuras investigaciones.
El estudio fue publicado el 1 de mayo en la revista Nature Genetics.
"Esta es una historia evolutiva", afirmó Yin, quien dirigió el equipo de investigación con un científico de Alemania. "Responde a la pregunta fundamental de cómo evolucionaron las primeras plantas terrestres a partir de algas acuáticas de agua dulce."
El laboratorio de Yin en el Centro de Alimentos para la Salud de Nebraska y el Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos tiene una larga trayectoria en el estudio de los carbohidratos de la pared celular de las plantas, un componente importante de las fibras dietéticas para humanos y animales de granja; lignocelulosas para la producción de biocombustibles; y barreras naturales para proteger los cultivos de patógenos y tensiones ambientales.
Toda la vida vegetal actual en la tierra surgió de un evento evolutivo único conocido como terrestrialización de plantas a partir de antiguas algas de agua dulce. Las primeras plantas terrestres, conocidas como embriofitas dentro del clado de estreptofitas, surgieron en la tierra hace unos 550 millones de años y su llegada cambió fundamentalmente la superficie y la atmósfera del planeta.
Hicieron posible el resto de la vida terrestre, incluidos los humanos y los animales, al servir como base evolutiva para la flora y el alimento de la fauna del futuro.
Los investigadores trabajaron con cuatro cepas de algas del género Zygnema:dos de una colección de cultivos en Estados Unidos y dos de Alemania. Los científicos combinaron una variedad de técnicas de secuenciación de ADN de vanguardia para determinar las secuencias completas del genoma de estas algas.
Estos métodos permitieron a los científicos generar genomas completos para estos organismos a nivel de cromosomas completos, algo que nunca antes se había hecho con este grupo de algas. La comparación de los genomas con los de otras plantas y algas condujo al descubrimiento de excesos específicos de enzimas de la pared celular, genes de señalización y factores de respuesta ambiental.
Una característica única de estas algas revelada por imágenes microscópicas (realizadas en la Universidad de Innsbruck en Austria, la Universität Hamburg en Alemania y el Centro de Biotecnología de la UNL) es una capa gruesa y muy pegajosa de carbohidratos fuera de las paredes celulares, llamada capa de mucílago.
Xuehuan Feng, primer autor del artículo e investigador asociado postdoctoral de Husker, desarrolló un método de extracción de ADN nuevo y eficaz para eliminar esta capa de mucílago para obtener ADN de alta pureza y alto peso molecular.
"Es fascinante que los componentes genéticos, cuyos orígenes son anteriores a las plantas terrestres en millones de años, se duplicaron y diversificaron en los ancestros de las plantas y las algas y, al hacerlo, permitieron la evolución de una maquinaria molecular más especializada", dijo Iker Irisarri de el Instituto Leibniz para el Análisis del Cambio de la Biodiversidad y co-primer autor del artículo.
El otro colíder del equipo, Jan de Vries de la Universidad de Göttingen, dijo:"No sólo presentamos un recurso valioso y de alta calidad para toda la comunidad científica de plantas, que ahora puede explorar estos datos del genoma, sino que nuestros análisis descubrieron intrincados conexiones entre las respuestas ambientales."
Las cuatro algas multicelulares Zygnema pertenecen a la clase Zygnematophyceae, los parientes vivos más cercanos de las plantas terrestres; es una clase de algas de agua dulce y semiterrestres con más de 4.000 especies descritas.
Zygnematophyceae posee adaptaciones para resistir factores estresantes terrestres, como la desecación, la luz ultravioleta, la congelación y otros estreses abióticos. La clave para comprender estas adaptaciones son las secuencias del genoma. Antes de este artículo, las secuencias del genoma solo estaban disponibles para cuatro Zygnematophyceae unicelulares.
Yin dijo que esta investigación se alinea con una de las 10 grandes ideas de la Fundación Nacional de Ciencias:"Comprender las reglas de la vida", para abordar los desafíos sociales, desde el agua potable hasta la resiliencia climática. El descubrimiento también tiene importancia en las ciencias aplicadas, como la bioenergía, la sostenibilidad del agua y el secuestro de carbono.
"Nuestros análisis de redes genéticas revelan la coexpresión de genes, especialmente aquellos para la síntesis y remodelación de la pared celular que se expandieron y obtuvieron en el último ancestro común de las plantas terrestres y Zygnematophyceae", dijo Yin.
"Arrojamos luz sobre las profundas raíces evolutivas del mecanismo para equilibrar las respuestas ambientales y el crecimiento de células multicelulares".
La colaboración de investigación internacional incluye alrededor de 50 investigadores de 20 instituciones de investigación en ocho países:Estados Unidos, Alemania, Francia, Austria, Canadá, China, Israel y Singapur. Otros investigadores de Husker en el equipo son Chi Zhang, profesor de ciencias biológicas, y Jeffrey Mower, profesor de agronomía y horticultura.
Más información: Xuehuan Feng et al, Los genomas de algas multicelulares hermanas de plantas terrestres iluminan la evolución de la red de señalización, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01737-3
Proporcionado por la Universidad de Nebraska-Lincoln
