Agricultura Botánica y Genética Canadá

Estudio proporciona marco para mil millones de años de evolución de plantas verdes


Las secuencias de genes para más de 1100 especies de plantas han sido lanzadas por un consorcio internacional de casi 200 científicos de plantas, la culminación de un proyecto de investigación de nueve años.


por la Universidad de Alberta


La Iniciativa Transcriptomes de las Mil Plantas (1KP) es una colaboración global para examinar la diversificación de especies de plantas, genes y genomas a lo largo de más de mil millones de años de historia de plantas verdes que se remontan a los ancestros de las plantas con flores y las algas verdes .

«En el árbol de la vida, todo está interrelacionado», dijo Gane Ka-Shu Wong, investigador principal y profesor de la Facultad de Ciencias y la Facultad de Medicina y Odontología de la Universidad de Alberta. «Y si queremos entender cómo funciona el árbol de la vida, necesitamos examinar las relaciones entre especies. Ahí es donde entra la secuenciación genética».

Los hallazgos, publicados hoy en Nature , revelan el momento de la duplicación del genoma completo y los orígenes, expansiones y contracciones de las familias de genes que contribuyen a las innovaciones genéticas fundamentales que permiten la evolución de algas verdes, musgos, helechos, árboles de coníferas, plantas con flores y todo otro verde. linajes de plantas La historia de cómo y cuándo las plantas aseguraron la capacidad de crecer alto y producir semillas, flores y frutos proporciona un marco para comprender la diversidad de las plantas en todo el planeta, incluidos los cultivos anuales y las especies arbóreas forestales de larga vida.

«Nuestras relaciones inferidas entre especies de plantas vivas nos informan que durante los mil millones de años transcurridos desde que una especie de alga verde ancestral se dividió en dos linajes evolutivos separados, uno que incluye plantas con flores, plantas terrestres y grupos de algas relacionadas y el otro que comprende una gran variedad de algas verdes, La evolución de las plantas ha sido marcada por innovaciones y períodos de rápida diversificación «, dijo James Leebens-Mack, profesor de biología de plantas en el Colegio de Artes y Ciencias Franklin de la Universidad de Georgia y coautor del estudio. «Para vincular lo que sabemos sobre la evolución de los genes y el genoma con una comprensión cada vez mayor de la función de los genes en los organismos de plantas con flores, musgos y algas, necesitábamos generar nuevos datos para reflejar mejor la diversidad genética entre todos los linajes de las plantas verdes».

El estudio inspiró un esfuerzo comunitario para reunir y secuenciar diversos linajes de plantas derivados de hábitats terrestres y acuáticos a escala global. Más de 100 especialistas en taxonomía contribuyeron con material de colecciones de campo y de vida que incluyen la Colección Central de Culturas de Algas, Royal Botanic Gardens, Kew, Royal Botanic Garden Edimburgo, Atlanta Botanical Garden, New York Botanical Garden, Fairylake Botanical Garden, Shenzhen, The Florida Museum of Historia Natural, Duke University, University of British Columbia Botanical Garden y The University of Alberta. Al secuenciar y analizar genes de una amplia muestra de especies de plantas, los investigadores están en mejores condiciones de reconstruir el contenido de genes en los antepasados ​​de todos los cultivos y especies de plantas modelo.y obtener una imagen más completa de las duplicaciones de genes y genomas que permitieron innovaciones evolutivas.

Hace casi una década, Wong organizó fondos privados a través de la Fundación de la Familia Somekh, así como el apoyo del Gobierno de Alberta y un compromiso de secuencia de BGI en Shenzhen, China, para lanzar 1KP. Una vez que el proyecto estuvo operativo, se obtuvieron recursos adicionales de otros proyectos en curso, incluido iPlant (ahora CyVerse) financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

El alcance masivo del proyecto exigió el desarrollo y el refinamiento de nuevas herramientas computacionales para el ensamblaje de secuencias y el análisis filogenético.

«Los ingenieros de software de BGI desarrollaron nuevos algoritmos para reunir el volumen masivo de datos de secuencia de genes generados para este proyecto», explicó Wong.

El profesor fundador de ciencias de la computación Tandy Warnow, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y Siavash Mirarab, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California en San Diego, desarrollaron nuevos algoritmos para inferir relaciones evolutivas de cientos de secuencias de genes durante más de mil especies, abordando la heterogeneidad sustancial en las historias evolutivas a través de los genomas.

El momento de 244 duplicaciones del genoma completo a través del árbol de la vida de la planta verde fue uno de los focos de investigación interrelacionados del proyecto.

«Quizás la mayor sorpresa de nuestros análisis fue la casi ausencia de duplicaciones del genoma completo en las algas», dijo Mike Barker, profesor asociado de ecología y biología evolutiva en la Universidad de Arizona. «Sobre la base de casi 20 años de investigación sobre genomas de plantas, descubrimos que el genoma promedio de plantas con flores tiene casi 4 rondas de duplicación de genomas ancestrales que se remontan al ancestro común de todas las plantas de semillas hace más de 300 millones de años. También encontramos «múltiples rondas de duplicación del genoma en linajes de helechos, pero hay poca evidencia de duplicación del genoma en linajes de algas».

Además de las duplicaciones del genoma, la expansión de las familias de genes clave ha contribuido a la evolución de la multicelularidad y la complejidad en las plantas verdes.

«Las expansiones de la familia de genes a través de eventos de duplicación catalizaron la diversificación de la forma y función de las plantas a través del árbol verde de la vida», dijo el coautor Marcel Quint, profesor de fisiología de cultivos, en la Universidad de Halle, Alemania. «Tales expansiones desatadas durante la terrestre o incluso antes de establecer el escenario para las innovaciones evolutivas, incluido el origen de la semilla y más tarde el origen de la flor».


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