Les chercheurs de Cornell ont séquencé et analysé le génome d'une algue unicellulaire qui appartient à la lignée la furthermore proche des plantes terrestres et fournit de nombreux indices sur la façon dont les plantes aquatiques ont colonisé la terre pour la première fois.




Le rapport, « Le génome de Penium margaritaceum: caractéristiques des origines des plantes terrestres », a été publié le 21 mai dans la revue Mobile.

Penium margaritaceum appartient à un groupe d'algues d'eau douce appelées charophytes, et plus précisément à un sous-groupe appelé Zygnematophyceae, qui avait un ancêtre commun avec les premières plantes terrestres il y a approximativement 600 thousands and thousands d'années. Afin de passer de l'eau à la terre – une changeover qui intrigue toujours les scientifiques – les plantes devaient se protéger du dessèchement et des rayons ultraviolets (UV), et elles devaient développer des constructions pour se soutenir sans la flottabilité fournie par l'eau.




Les chercheurs ont trouvé des empreintes de toutes ces diversifications dans le génome de Penium, fournissant un aperçu des mécanismes et de la génétique dont les premières plantes terrestres avaient besoin.

« Nous ne savions presque rien des génomes des ancêtres immédiats des plantes terrestres », a déclaré l'auteur principal Jocelyn Rose, professeur de biologie végétale au Collège d'agriculture et des sciences de la vie.

« Nous avons maintenant des informations passionnantes sur le dernier ancêtre commun des algues et des plantes terrestres », a déclaré Rose, « et cela permet aux biologistes des plantes d'inférer les origines des voies moléculaires des plantes terrestres, des systèmes de développement et des processus biologiques, et de les placer dans le contexte colonisation des terres d'une manière qui n'était pas possible auparavant.  »

Bien que certaines algues du groupe des charophytes soient ramifiées et ressemblent à des plantes terrestres précoces, les données moléculaires révèlent que l'ancêtre commun avait une forme de filament furthermore easy.

« Nous sommes très intéressés par la raison pour laquelle le strategy corporel easy aurait pu être avantageux sur le plan de l'évolution », a déclaré Rose. « Le pénium vit en marge de l'eau douce et de la terre, dans des habitats qui l'exposent à des périodes de séchage et de réhydratation et cela a probablement été un facteur clé. »

Le génome de Penium contient beaucoup d'ADN répétitif et « indésirable » (non codant), ce qui a créé des défis pour les chercheurs. Ils ont fini par extraire un ensemble propre d'ADN à partir de noyaux purifiés et à intégrer de nombreux varieties de strategies de séquençage d'ADN et de programmes d'assemblage pour couvrir l'ensemble du génome. Ils ont également effectué un séquençage de pointe du transcriptome (ARN) pour compléter le séquençage du génome et pour comprendre quels gènes étaient activés et désactivés par différentes contraintes.

« Nous avons découvert que le génome est énorme », a déclaré Zhangjun Fei, professeur de bioinformatique au Boyce Thompson Institute et professeur agrégé adjoint à la portion de phytopathologie et de biologie végétale et microbienne. Fei est co-auteur principal de l'étude et a géré le travail de calcul et de séquençage.

Le génome de cette minuscule algue unicellulaire est encore plus grand que le génome notoirement grand du maïs et le génome humain.

« Un grand résultat est que nous avons trouvé des flavonoïdes, des produits chimiques qui peuvent protéger contre le rayonnement de la lumière UV », a déclaré Fei.

« Auparavant, on pensait que ces composés n'existaient que dans les plantes terrestres », a déclaré Rose. « Nous avons détecté non seulement les flavonoïdes eux-mêmes, mais aussi des parties de la voie de leur biosynthèse. »

Les chercheurs ont également identifié des gènes impliqués dans les systèmes de régulation et la signalisation hormonale qui n'avaient auparavant été trouvés que dans les plantes terrestres, ainsi que des mécanismes qui empêchent les plantes de se dessécher, y compris la output de mucilage.

Ils ont également trouvé un grand nombre de gènes qui contribuent à la biosynthèse et à la réorganisation de la paroi cellulaire, qui sont nécessaires au soutien structurel.

« Encore une fois, c'est une seule cellule, mais elle possède d'énormes familles de protéines modifiant la paroi cellulaire », a déclaré Rose. « Cela suggère un contrôle très complexe de la framework des murs, de la dynamique et des propriétés biomécaniques qui peuvent être tout aussi élaborés que dans les terres multicellulaires. »

Les chercheurs pensent que le génome de Penium ouvrira des enquêtes dans de nombreux domaines de la biologie végétale, y compris les applications possibles pour les cultures modernes. L'équipe prévoit d'étudier les génomes d'autres espèces de charophytes.

David Domozych, professeur de biologie au Skidmore College or university et spécialiste des charophytes, est coauteur principal.

L'étude a été financée par la National Science Basis, le département américain de l'Agriculture, le projet PlantaSyst de l'Union européenne et le Cornell Atkinson Center for Sustainability.