Сравнительная геномика выявила уникальный азот

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4334 (2023) Цитировать эту статью

2513 Доступов

13 Альтметрика

Подробности о метриках

Астровые (семейство маргаритки) — одно из крупнейших семейств растений. Генетическая основа его высокого биоразнообразия и превосходной приспособляемости не выяснена. Здесь мы сравниваем геномы 29 видов наземных растений, включая две сборки геномов в масштабе хромосом de novo для стеблевого салата, члена Asteraceae, и Scaevola taccada, члена Goodeniaceae, который является одной из ближайших внешних групп Asteraceae. Мы показываем, что Asteraceae возникли около 80 миллионов лет назад и претерпели неоднократную палеополиплоидизацию. PII, универсальный регулятор ассимиляции азота и углерода (NC), присутствующий почти во всех сферах жизни, заметно утрачен среди Asteraceae. Между тем, Asteraceae поэтапно модернизировали систему баланса NC посредством палеополиплоидизации и тандемной дупликации ключевых метаболических генов, что привело к усилению поглощения азота и биосинтеза жирных кислот. Уникальная система баланса NC, описанная для Asteraceae, не только предлагает молекулярную основу их экологического успеха, но и предлагает потенциальную стратегию улучшения сельскохозяйственных культур.

Покрытосеменные (цветковые растения) подверглись быстрой земной радиации и разнообразию видов, в конечном итоге став экологически доминирующими еще до конца мелового периода, который Чарльз Дарвин охарактеризовал как «отвратительную тайну»1. В частности, Asteraceae конкурируют с Orchidaceae как крупнейшее семейство цветковых растений. Asteraceae включают более 1620 родов и 30 000 видов и составляют примерно 10% всех цветковых видов (дополнительный рисунок 1 и дополнительное примечание 1)2,3. Богатство видов Asteraceae значительно превышает богатство родственных семейств порядка Asterales, включая Calyceraceae (47 видов), Goodeniaceae (430 видов) и Menyanthaceae (60 видов)3. Это наиболее экологически успешное семейство с невероятным разнообразием и отличной приспособляемостью, его члены встречаются практически во всех типах среды обитания на Земле, включая экстремальные условия, такие как пустыни и солончаки (дополнительный рисунок 1)4. Еще одним примером, который может проиллюстрировать исключительную адаптивность Asteraceae, является то, что растения этого семейства входят в тройку лучших в списке глобально инвазивных видов (дополнительный рисунок 1). Считается, что экологический успех Asteraceae связан с их специфической морфологией и физиологией. Например, характерное соцветие (головочка) вносит существенный вклад в экологическую радиацию, привлекая насекомых-опылителей, которые в значительной степени полагаются на это семейство в питании и размножении5. Семенковидные плоды (ципсела) с щетинками способствуют распространению ветром или прикрепляются к шерсти или оперению животных2. Оба этих метода рассеивания приводят к тому, что семена распространяются на большее расстояние, чем семена большинства других типов. Кроме того, фруктаны типа инулина, а не крахмалы, являются основными резервными углеводами у сложноцветных и обладают потенциальными функциями, повышающими их способность адаптироваться к экологическим проблемам6,7,8. Однако постепенное понимание взрывного разнообразия и адаптивности Asteraceae по-прежнему остается серьезной проблемой для биологов.

Происхождение и ранняя эволюция сложноцветных неясны и загадочны. Недавние филогенетические исследования Asteraceae с использованием новых ископаемых данных и более широкой выборки семейства определили его происхождение где-то в позднем меловом периоде (69–89 миллионов лет назад [MYA])2,5,9. До недавнего времени это семейство считалось относительно молодым (40–50 млн лет назад), основываясь на существующей летописи окаменелостей, и эти временные рамки согласуются с данными молекулярных часов2,10,11. Было предложено событие палеополиплоидизации, которое было распространено среди подсемейств вблизи узла кроны Asteraceae, что согласно недавним геномным анализам было расценено как трипликация всего генома10,12,13,14. Кроме того, было оценено и предсказано, что частые потенциальные древние полногеномные дупликации (WGD) внутри нескольких племен будут силой, движущей эволюцией и увеличивающей биоразнообразие, учитывая, что полиплоидизация дублирует все гены одновременно и обеспечивает обильный генетический материал для эволюционных процессов, таких как неофункционализация, субфункционализация и консервация генов из-за эффектов дозировки13,15. Понимание полиплоидизации позволяет создать генетическую основу конкретных признаков Asteraceae за счет изучения высококачественных геномов с использованием передовых технологий секвенирования.