阐明Chara基因组对古生代陆生植物出现的影响

陆生植物的亲属Charophyceae具有基因组，这些基因组提供了重要的信息，以了解陆地植物如何从古生代的祖先进化而来。在这里，我们报告了Charophyceae的Chara braunii的基因组草图，以及它与陆生植物，Klebsormidium nitens和其他绿藻的比较。比较揭示了在导致陆生植物的谱系中以及在Charophyceae内的Charophyceae分化之前和之后的基因的获得。

陆地植物主导着陆地植物，是食物供应的主要部分。陆地植物如何从水生藻类进化出来是一个引起很多科学关注的问题。2011年，Nishiyama博士与其他研究人员合作发表了一篇文章，比较了莱茵衣藻，苔藓Physcomitrella专利，一种穗苔(Selaginella moellendorffii)和拟南芥(拟南芥)。比较显示，在将陆生植物的祖先与衣藻分离后，在陆生植物多样化之前获得了许多基因。然而，衣藻和陆地植物相关性很大，发散时间为10亿年，所以绿藻的基因组序列，更接近陆地植物，是明确的兴趣。2014年，由东京工业大学的Ohta教授领导的Hori博士和其他人发表了Klebsormidium nitens的基因组序列，这是一种比陆生植物更接近陆生植物的丝状绿藻;他们表明，Klebsormidium nitens具有与在陆地植物上生活相当的土地生活的重要基因。

三组绿藻在进化上比陆生植物更接近陆地植物，即，Charophyceae，Coleochaetophyceae和Zygnematophyceae(图1和2)。其中，Charophyceae是生殖器官，antheridia和oogonia最复杂的身体计划。事实上，在19世纪60年代，Pringsheim认为Chara(目前放置在Charophyceae)与陆地植物密切相关。Zygnematophyceae被认为是最接近陆生植物的现存谱系，但它们具有有性生殖系统，其中大小几乎相等的配子(生殖细胞)融合形成受精卵，而不是大卵和小游泳精子细胞。在本研究中，我们揭示了Chara braunii的基因组，它被认为与550至7.5亿年前的陆地植物分离。

在这里，来自13个国家40个机构的60名研究人员参与了Charophyceae的代表Chara braunii的基因组分析。他们已经获得足以与其他生物的基因组进行比较的草图基因组序列。草图基因组序列保藏在日本DNA数据库(DDBJ)，可通过国际核苷酸序列数据库协作(INSDC)获得。

Chara braunii个体被收集在茨城县霞浦湖和日本爱媛县西条市。建立了可以在实验室中生长并用于基因组分析的菌株。估计基因组大小很大(约2 Gbp，约为人类基因组的三分之二)。日本国立遗传学研究所的下一代Illumina测序仪用于大多数基因组测序。

在将原始序列组装成支架后，排除似乎源自细菌的支架序列，并获得1.75 Gbp的支架序列。将cDNA克隆到东京大学的大肠杆菌中(mRNA被逆转录成互补DNA)，随机选择所得文库并用常规测序仪测序以产生短的亚序列，即表达的序列标签(EST)。这些数据与通过使用东京大学的Illumina测序仪从cDNA获得的高通量序列数据以及欧洲组从cDNA获得的其他数据一起用于预测所含基因，并且估计了35,422个基因结构。

在这项研究中，估计了Charophyceae和陆地植物的最后一个共同祖先，除了一个TANGLED1之外，还拥有从陆生植物中获得的所有基因用于细胞分裂。在已知参与植物激素生物合成和陆地植物响应的基因中，发现Chara braunii拥有参与乙烯信号系统的所有基因，而Klebsormidium nitens缺少一个基因EIN2。此外，发现Chara braunii具有编码Aux / IAA和ARF的基因，这些转录因子参与生长素反应。在Klebsormidium nitens中未发现这些基因。

另一方面，由于在Chara braunii或Klebsormidium nitens中未发现TIR1型受体，因此可能存在未知的作用于生长素反应的机制。没有发现脱落酸(PYR)，茉莉酸和水杨酸的受体，这表明在陆地植物中发现的受体可能是在分离出Charophyceae和陆生植物后获得的。此外，Chara braunii有一个GUN1的直向同源物，这是通过从陆地植物中看到的从叶绿体到细胞核的“逆行”信号调节叶绿体蛋白合成的系统的关键。Chara braunii比其他已确定基因组的绿藻拥有更多的转录因子。

Charophyceae的形态复杂性可能源于与陆生植物分离后基因家族的扩展;因此，这种扩张应该与陆地植物的扩张无关。特别是，应注意活性氧(ROS)基因网络，LysM受体样激酶和三螺旋转录因子家族的扩增。有性生殖结构的转录组学分析揭示了转录因子，ROS基因网络的活性以及参与营养物质储存的蛋白质的复杂控制以及受精卵中植物样储存和应激保护蛋白的祖先使用。

基于Chara braunii草案基因组序列的这些分析表明，陆地植物对陆地生物重要的各种性状已经存在于Charophyceae和陆地植物的共同祖先中，这表明陆生植物特有的这些特征是在出现之前获得的。最古老的陆地植物。

本研究成功揭示了Chara braunii的基因组序列。该序列可以在陆地植物的发育和遗传研究中参考，并有助于理解陆地植物的进化。由于Chara细胞如此之大，它们已被用于使用微电极测量膜电位的电生理学研究。了解其基因组将有益于理解这些生理参数背后的分子机制。

此外，Chara braunii是一种世界性的物种，除了南极洲外，在全球广泛分布，并且生态适应各种环境。本研究中使用的Chara braunii菌株是在茨城县Kasumigaura和日本爱媛县西条市收集的。来自霞浦湖的那个似乎适应了光线充足的浅水，而来自西条市的那个显然适应了光线较低的深水。通过研究与不同环境条件相关的基因组序列，可以分析和阐明适应机制。