ゲノム スポットライト: C-シダ (Ceratopteris richardii)

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シカは維管束植物の中で 2 番目に成功したクレードであり、花を咲かせる親族だけが数を上回っています。 しかし、シダ類の多様性の 99% 以上を占める約 10,000 種の同胞子シダ (1 種類の胞子しか持たない種) のいずれにも全ゲノム配列がなく、このグループのゲノム資源は不足したままです。 しかし今年、Nature Plants に 3 つのシダのゲノムが掲載されたことで状況が変わりました。

「他のすべての植物が絶滅したのに、なぜシダは存続したのか?」を参照してください。

台湾のそびえ立つクモモンキー ツリー シダ (Alsophila spinulosa)

研究者たちは、シダの巨大なサイズと複雑さのために、シダのゲノムの構築に長い間苦労してきました。 一般に、植物は平均で 12 Gb の長さのゲノムを誇っています。これは、ほとんどの顕花植物よりも大きく、ヒトゲノムの長さのほぼ 4 倍です。 そして、これらの大規模なゲノムは数十の染色体に分割されています。 たとえば、アダータンシダ (Ophioglossum reticulatum) には 720 対の染色体があると推定されています。 シダは一般的に平均して約 40 つがいですが、それでも私たちのわずか 23 つがいをはるかに超えています。

なぜシダがこれほど巨大なゲノムを持っているのかは明らかではありませんが、科学者たちは長い間、その答えは全ゲノムの重複にあるという仮説を立ててきました。残念なことに、バイオインフォマティシャンにとっては、ゲノムの組み立てがさらに難しくなっています。 それでも、3 つの独立した研究チームが最近、C-シダ (Ceratopteris richardii; 7.46 Gb、39 対の染色体)、フライング スパイダー モンキー ツリー シダ (Alsophila spinulosa; 6.23 Gb、69 対の染色体) の高品質のゲノムを組み立てることに成功しました。 )、および南シダ (Adiantum capillus-veneris; 4.8 Gb、30 対の染色体)。 最近数か月に公開された 3 つすべてが、PacBio のロングリード シーケンスとアセンブリのポリッシングのためのイルミナのショートリード、およびゲノム構造を解明するための Hi-C 染色体キャプチャを含む同様の戦術を採用しました。

コケに囲まれた南部イチョウシダ (Adiantum capillus-veneris)

コケに囲まれた南部イチョウシダ (Adiantum capillus-veneris)

驚くべきことに、全ゲノム重複の証拠を見つけるのは困難でした。 「実際、この系統全体で数億年前にさかのぼる可能性のある 2 つの重複の証拠しかありません」とフロリダ自然史博物館の植物学者パメラ・ソルティスは、C-シダのゲノム チームのメンバーでした。ニューヨーク・タイムズ。 代わりに、シダのゲノムは、転移因子と反復配列のために成長したように見える、と彼女は言う.

「ジャンピング遺伝子の助けを借りて適応する」を参照してください。

特にモデル生物である C-シダの配列は、水平遺伝子伝達によって得られた他の種からの DNA を組み込む明らかな傾向も明らかにしました。 研究者らは、シダの DNA に組み込まれているだけでなく、さまざまな組織で発現しており、防御毒素として機能していると考えられる多数の推定上の細菌遺伝子を発見しました。 「水平遺伝子伝達の背後にあるメカニズムは、陸上植物の進化において最も研究されていない分野の 1 つです」と、同じくフロリダ自然史博物館の Doug Soltis 氏は機関のニュース リリースで説明しています。 「進化のタイムスケールでは、宝くじに当選するようなものです。 植物が傷つくたびに、その内部は微生物の侵入を受けやすくなりますが、その DNA がゲノムに組み込まれることは驚くべきことです。」

「水平遺伝子伝達は誰もが考えていたよりも頻繁に起こる」を参照してください

配列のさらなる分析、特に比較配列の分析は、ゲノムと植物生物学における長年の問題に光を当てる可能性が高いと専門家は言う. たとえば、C-シダのゲノムには、被子植物の開花と種子の発達に関与する遺伝子が含まれていますが、メインデンヘアのシダのゲノムには、花粉の発達のために他の植物によって使用される遺伝子が含まれています。 花に関連すると推定されるこれらの遺伝子は、生殖構造で発現しているように思われるが、花のない無花粉のシダで正確に何をしているのかは不明のままである. それらの機能を理解するための追加の作業は、開花の初期進化に光を当てる可能性があります. 「私たち自身を含むあらゆる生物の中で何かがどのように機能するかを理解するには、それがどこから来たのか、そして現在の機能を引き受ける前にその文脈が何であったかを調べる必要があります」とパメラ・ソルティスはタイムズに語っています.

ワシントン大学の植物学者であるヴェロニカ・ディ・スティリオは、科学に対して同様の感情を表明しています。 「主要な植物系統のそれぞれを代表する参照ゲノムを持つことで、非常に多くの可能性が開かれます」と彼女は言います。 「ゲノムはツールであり、氷山の一角です。」

準優勝:

野生のヤク (Bos mutus)

野生のヤク (Bos mutus)

リュー・ウェイ

野生のヤク (Bos mutus)

これまでに公開された最初のヤクのゲノムではありませんが、Nature Communications で 9 月 6 日に公開された野生のヤクと飼いならされたヤク (Bos grunniens) の両方の染色体レベルのアセンブリは、動物が高地、低酸素環境にどのように適応したかについての新しい洞察をもたらします。 具体的には、ゲノム配列により、研究者は単一細胞の全ゲノム配列決定とトランスクリプトミクスを実行できるようになり、ヤクの肺の特殊な免疫細胞が明らかになりました。 これらの細胞は、ヤクと同じ属のメンバーであるウシの対応する細胞とは異なる方法で多数の遺伝子を発現します。 以前に高地適応に関連していた 2 つの遺伝子を含む発現レベルのこれらの違いは、ヤクのゲノムで特定説(推定)された何百もの構造的変異によって引き起こされている可能性があります。 「これらの発見は、ヤクの高地適応に関する新たな洞察を提供し、大型哺乳類と人間の低酸素に対する生理学的および病理学的反応を理解する上で重要な意味を持ちます」と著者らは書いています。

オリエンタルドブソンフライ (Neoneuromus ignobilis)

すべての昆虫の 6% 以上が水生であり、そのすべてが以前は陸生だった生物に由来しています。 実際、昆虫は 50 以上の異なる機会に水生段階または生活様式を進化させたと考えられており、淡水生息地への昆虫の適応は収斂進化の最も豊富な例の 1 つとなっています。 ゲノミクスの 9 月号に掲載されたオリエンタル ドブソンフライ (Neoneuromus ignobilis) の染色体スケールのゲノム アセンブリのおかげで、研究者は現在、この進化的収斂の遺伝学を調査し始めています。 ドブソンフライのゲノムを他の 41 種の昆虫 (うち 11 種は他のグループの水生昆虫) のゲノムと比較することにより、研究者は長波長感受性および青色感受性オプシン (熱ストレスに応答する TRP チャネル) をコードする遺伝子の収束的拡大を明らかにしました。水中生物への適応に関与している可能性がある硫酸基を移動させる酵素。 興味深いことに、チームは予想よりも多くの収束アミノ酸置換も発見しました。これは、タンパク質修飾を操作する配列で特に一般的であると思われます。 「私たちの比較ゲノム解析は、遺伝子ファミリーの進化と収斂性アミノ酸置換の両方における水生昆虫の分子収斂の証拠を明らかにしました。これらの分子収斂は、水生昆虫の生態学的適応に寄与する可能性があります」とチームは論文で結論付けています。



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