Equipe internacional decifra o código genômico das primeiras formas de vida vegetal terrestre
Zignema. Crédito:Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01737-3 A vida vegetal surgiu pela primeira vez na terra há cerca de 550 milhões de anos, e uma equipe de pesquisa internacional co-liderada pelo biólogo computacional da Universidade de Nebraska-Lincoln, Yanbin Yin, decifrou o código genômico de suas origens humildes, que tornou possível todas as outras formas de vida terrestre na Terra. incluindo humanos.
A equipa – cerca de 50 cientistas em oito países – gerou a primeira sequência genómica de quatro estirpes de algas Zygnema, os parentes vivos mais próximos das plantas terrestres. Suas descobertas lançam luz sobre a capacidade das plantas de se ajustarem ao meio ambiente e fornecem uma base rica para pesquisas futuras.
O estudo foi publicado em 1º de maio na revista Nature Genetics.
“Esta é uma história evolutiva”, disse Yin, que liderou a equipa de investigação com um cientista da Alemanha. "Isso responde à questão fundamental de como as primeiras plantas terrestres evoluíram a partir de algas aquáticas de água doce."
O laboratório de Yin no Centro Food for Health de Nebraska e no Departamento de Ciência e Tecnologia de Alimentos tem uma longa história de estudo de carboidratos da parede celular vegetal, um componente importante das fibras dietéticas para humanos e animais de fazenda; lignoceluloses para produção de biocombustíveis; e barreiras naturais para proteger as culturas contra agentes patogénicos e tensões ambientais.
Toda a vida vegetal atual na terra surgiu de um evento evolutivo único conhecido como terrestrialização de plantas a partir de antigas algas de água doce. As primeiras plantas terrestres, conhecidas como embriófitas dentro do clado das estreptofitas, surgiram em terra há cerca de 550 milhões de anos – a sua chegada alterou fundamentalmente a superfície e a atmosfera do planeta.
Eles tornaram possível todas as outras formas de vida terrestre, incluindo humanos e animais, servindo como base evolutiva para a flora futura e alimento para a fauna.
Os pesquisadores trabalharam com quatro cepas de algas do gênero Zygnema – duas de uma coleção de culturas nos Estados Unidos e duas da Alemanha. Os cientistas combinaram uma série de técnicas de sequenciamento de DNA de ponta para determinar as sequências completas do genoma dessas algas.
Estes métodos permitiram aos cientistas gerar genomas completos para estes organismos ao nível de cromossomas inteiros – algo que nunca tinha sido feito antes neste grupo de algas. A comparação dos genomas com os de outras plantas e algas levou à descoberta de superabundâncias específicas de enzimas da parede celular, genes de sinalização e fatores de resposta ambiental.
O biólogo computacional Yanbin Yin (à direita) e o pesquisador de pós-doutorado Xuehan Feng analisam amostras de algas. Crédito:Craig Chandler/Universidade de Comunicação e Marketing;/Universidade de Nebraska-Lincoln
Uma característica única destas algas revelada por imagens microscópicas – realizadas na Universidade de Innsbruck, na Áustria, na Universität Hamburg, na Alemanha, e no Centro de Biotecnologia da UNL – é uma camada espessa e altamente pegajosa de hidratos de carbono fora das paredes celulares, chamada camada de mucilagem.
Xuehuan Feng, o primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado da Husker, desenvolveu um novo e eficaz método de extração de DNA para remover essa camada de mucilagem para obter DNAs de alta pureza e alto peso molecular.
"É fascinante que os blocos de construção genéticos, cujas origens antecedem as plantas terrestres em milhões de anos, tenham sido duplicados e diversificados nos ancestrais das plantas e das algas e, ao fazê-lo, permitiram a evolução de uma maquinaria molecular mais especializada", disse Iker Irisarri, do o Instituto Leibniz para a Análise de Mudanças na Biodiversidade e co-autor do artigo.
O outro colíder da equipe, Jan de Vries, da Universidade de Göttingen, disse:"Não apenas apresentamos um recurso valioso e de alta qualidade para toda a comunidade científica vegetal, que agora pode explorar esses dados do genoma, nossas análises revelaram intrincados conexões entre respostas ambientais."
As quatro algas Zygnema multicelulares pertencem à classe Zygnematophyceae, os parentes vivos mais próximos das plantas terrestres; é uma classe de algas de água doce e semiterrestres com mais de 4.000 espécies descritas.
Zygnematophyceae possuem adaptações para resistir a estressores terrestres, como dessecação, luz ultravioleta, congelamento e outros estresses abióticos. A chave para compreender essas adaptações são as sequências do genoma. Antes deste artigo, as sequências do genoma estavam disponíveis apenas para quatro Zygnematophyceae unicelulares.
Yin disse que esta pesquisa está alinhada com uma das 10 grandes ideias da National Science Foundation - "Compreender as regras da vida" - para enfrentar os desafios sociais, desde a água potável até a resiliência climática. A descoberta também tem importância em ciências aplicadas, como bioenergia, sustentabilidade hídrica e sequestro de carbono.
“Nossas análises de redes genéticas revelam co-expressão de genes, especialmente aqueles para síntese e remodificações da parede celular que foram expandidas e adquiridas no último ancestral comum das plantas terrestres e Zygnematophyceae”, disse Yin.
"Lançamos luz sobre as raízes evolutivas profundas do mecanismo para equilibrar as respostas ambientais e o crescimento de células multicelulares."
A colaboração internacional em investigação inclui cerca de 50 investigadores de 20 instituições de investigação em oito países – Estados Unidos, Alemanha, França, Áustria, Canadá, China, Israel e Singapura. Outros pesquisadores da Husker na equipe são Chi Zhang, professor de ciências biológicas, e Jeffrey Mower, professor de agronomia e horticultura.
