_ Analiza genomică pune în lumină modul în care iarba de mare au cucerit marea

Iarbele marine oferă fundația unuia dintre cele mai biodiverse, dar vulnerabile ecosisteme marine de coastă la nivel global. Ei au apărut în trei descendențe independente din strămoșii lor de apă dulce cu aproximativ 100 de milioane de ani în urmă și sunt singurele plante cu flori marine complet scufundate.

Mutarea într-un mediu atât de radical diferit este un eveniment evolutiv rar și cu siguranță nu este ușor. Cum au făcut iarba de mare? Noile genomi de referință de calitate oferă indicii importante cu relevanță pentru conservarea și aplicarea biotehnologică a acestora.

Un grup internațional de 38 de cercetători coordonați de profesorul dr. Yves Van de Peer, Universitatea Gent, Belgia, profesorul dr. Jeanine Olsen, Universitatea din Groningen, Olanda, profesor Dr. Thorsten Reusch, Centrul GEOMAR Helmholtz pentru Cercetare Oceanică Kiel, Germania, Dr. Gabriele Procaccini, Stazione Zoologică Anton Dohrn din Napoli, Italia și Institutul Comun al Genomului, Berkeley, California, Statele Unite ale Americii , a secvențial și a analizat genomul a trei dintre cele mai importante specii de iarbă de mare — iarba emblematică a Neptunului endemică mediteraneană (Posidonia oceanica), iarba Neptunului mic (Cymodocea nodosa) cu răspândire largă și iarba țestoasă endemică din Caraibe (Thalassia testudinum).

Cercetătorii au examinat mai întâi structura genomului și apoi au comparat familiile de gene și căile asociate cu adaptările structurale și fiziologice, între ierburi marine și rudele lor de apă dulce. Descoperirile lor sunt prezentate în revista Nature Plants, intitulată „Genomul ierburilor marine relevă poliploidia antică și adaptările la mediul marin.”

Ecosistemele bazate pe iarbă marine oferă funcții și servicii multiple, de exemplu ca protecție împotriva eroziunii care conservă peisajele marine de coastă, ca puncte fierbinți de biodiversitate pentru animale și alge asociate și ca soluție bazată pe natură pentru atenuarea climei, datorită capacității lor de stocare a carbonului în biomasa subterană. Atât conservarea, cât și restaurarea sunt domenii de cercetare intensă, deoarece iarbă de mare se pierde, la fel ca și recifele de corali, din cauza încălzirii climatice și a altor impacturi umane.

Așa cum se spune, „Multe mâini/creiere fac lucrul ușor. " Pentru început, consorțiul de cercetare a analizat în profunzime structura genomurilor în sine, urmată de o analiză comparativă a celor peste 20.000 de gene și a căilor relevante care au evoluat în adaptările marine specifice.

Înainte. , cele 23 de echipe de cercetare colaboratoare s-au concentrat fiecare pe diferite seturi complementare de gene structurale sau funcționale, inclusiv funcțiile lor fiziologice. O întrebare cheie a fost dacă adaptările genomice au apărut în paralel sau dacă au apărut independent și poate chiar au implicat seturi de gene diferite.

Profesorul dr. Olsen subliniază: „Ierburile marine au suferit un set extrem de rar de adaptări. În timp ce Readaptarea la mediile de apă dulce a avut loc de peste 200 de ori în istoria evoluției plantelor cu flori — implicând sute de linii și mii de specii — iarbă de mare a evoluat din strămoșii lor de apă dulce doar de trei ori — implicând 84 de specii.

„Pentru a Faceți acest lucru necesită toleranță ecologică specializată la, de exemplu, salinitate ridicată, lumină mai scăzută, o gamă largă de toleranțe la temperatură, captarea subacvatică a carbonului pentru fotosinteză, apărare diferită împotriva agenților patogeni, flexibilitate structurală și o polenizare subacvatică."

One. rezultatul major a fost că iarbă de mare a fost capabilă să pornească adaptarea radicală prin duplicarea genomului, care este adesea asociată cu stres sever de mediu.

„Compararea celor trei linii independente de iarbă de mare, inclusiv liniile surori de apă dulce, a dezvăluit o triplicare comună a întregului genom antic la aproximativ 86 de milioane de ani. Acest lucru a fost destul de interesant, deoarece mari părți ale oceanului erau lipsite de oxigen atunci. timp și este, de asemenea, un eveniment de unire care implică cele trei descendențe", spune profesorul dr. Van De Peer.

În plus, cercetătorii au descoperit că reținerea și expansiunea unor familii de gene ar putea fi încă urmărite prin reținerea sintezei. blochează aceste evenimente de duplicare timpurie, de exemplu flavonoidele pentru a oferi protecție împotriva radiațiilor ultraviolete și a ciupercilor, stimulând în același timp recrutarea bacteriilor fixatoare de azot; cisteinooxidazele extinse pentru a face față sedimentelor hipoxice și genelor asociate cu ceasurile circadiene.

Rezultatele au arătat, de asemenea, că „genele săritoare” – elemente transpozabile – au jucat un rol major în crearea unei noi variații genetice pentru a acționa asupra selecției. Acest lucru s-a aplicat în special genomilor mari de Thalassia testudinum și Posidonia oceanica.

De asemenea, echipa a descoperit că mai multe adaptări sunt rezultatul convergenței. Acest lucru s-a aplicat în principal trăsăturilor care au devenit redundante sau dăunătoare într-un mediu marin scufundat, foarte salin. Pierderea genelor pentru stomatele – găurile minuscule de pe suprafața frunzelor care asigură schimbul de gaze cu atmosfera – pierderea genelor pentru substanțe volatile și semnalizare pentru a se apăra împotriva agenților patogeni și a tolera valurile de căldură marine, în special factorii de șoc termic, sunt exemple convingătoare de „utilizați-l sau pierde-l.”

Dr. Procaccini explică: „Este clar că reglarea fină a căilor de susținere a jucat rolul dominant, mai degrabă decât genele să preia noi funcții majore. Toleranța la sare este un bun exemplu în care a avut loc o eficiență mai mare a proceselor multiple pentru a regla sodiul, clorul. și potasiu. Schimbările evolutive au oferit diferite specii, de asemenea, capacitatea de a rezista la diferite medii.”

Profesorul dr. Reusch rezumă: „Cele mai importante funcții ecologice sunt trăsături complexe, care implică interacțiunea multor gene prin căi flexibile. . Cu instrumentele genomice dezvoltate acum pentru plantele marine cheie, putem începe să le testăm și să le manipulăm experimental. Acest lucru este deosebit de important pentru restaurarea în scenariile de schimbări climatice care implică multe dintre condițiile discutate aici."

Noile resurse genomice va accelera studiile experimentale și funcționale care sunt deosebit de relevante pentru managementul transformativ și restaurarea ecosistemelor de iarbă marine. Ele reprezintă o resursă formidabilă pentru comunitatea de cercetare.

(Fluierul)