Nature Ecol Evol | 彻底改变绿色植物的分类!华大研究团队发现绿色植物的第三个门类

发布时间:2020-06-23

界-门-纲-目-科-属-种,是目前公认的生物学分类系统。绿色植物现分为两大分支:链型植物(包含轮藻门和所有的有胚植物)和绿藻门。大约15亿年前的海洋,一些真核生物吞噬光合蓝细菌,发生第一次内共生事件,形成了绿色植物的祖先。而在距今10亿年前,绿色植物祖先进行了一次分化,一部分形成了生活环境主要在海洋的绿藻门分支,另一部分形成了生活环境主要在陆地的链型植物分支。因此,绿色植物长久以来被认为只由链型植物分支和绿藻门分支两大门类构成。

 

2020年6月22日,Nature Ecology & Evolution杂志在线发表了深圳华大生命科学研究院联合德国、丹麦与比利时等团队合作完成的题为The genome of Prasinoderma coloniale unveils the existence of a third phylum within green plants的研究论文,该研究报道了绿色植物中存在一直以来未被发现的新门类,揭示了绿色植物起源和演化的关键节点,并解释了早期绿色植物进化的分子机制。这是首次在物种“门”这一高级别分类上的突破性发现。主导该研究的中国科学家取用了最能代表中国文化符号的“华”字,并结合该物种的生物学属性,暂定将该门类命名为“华藻门” Prasinodermaphyta。该研究成果彻底改变了绿色植物的分类,同时将现在植物界14个门类改写为15个门类。

 

 

华大生命科学研究院数字化地球研究所万种植物基因计划 (10KP) 研究团队报道了一种生活在深海 (距海面百米以下) 的单细胞浮游绿藻Prasinoderma coloniale CCMP 1413 (图一)。该研究首先获得了一个无任何gap的染色体级别基因组,结合基因组、转录组、核糖体RNA数据的多重系统发育分析,以及比较基因组学分析,确定了该物种属于绿色植物最早分化出来的一个新门类——华藻门Prasinodermaphyta,与已知的链型植物分支和绿藻门分支为姐妹关系 (图1, 图2)。

 

图1:绿色植物界新门类-定名为“华藻门”Prasinodermaphyta的系统发育关系。

 

图2:比较基因组学揭示Prasinoderma coloniale基因构成的特异性。

 

此外,Prasinoderma coloniale 生活在百米的海底 (图3),低光照,低二氧化碳,那它是如何获得生长发育所需能量的?该研究团队发现其基因组可以编码大量不同种类的补光蛋白(LHC),这些基因的扩张保证了它在深海中依然可以通过光合作用获取足够能量来维持正常生命代谢。不仅如此,Prasinoderma coloniale也拥有独特的碳浓缩机制——同时拥有C3和C4两种机制的使其能够高效的进行碳浓缩以适应深海的低二氧化碳环境 (图3)。

 

 

图3:Prasinoderma coloniale生活环境及同时拥有C3和C4两种碳浓缩机制

 

通过水平基因转移 (HGT),Prasinoderma coloniale从细菌中获得并保留了完整的天冬氨酸通路 (aspartate pathway) 犬尿素通路 (kynurenine pathway) 用于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)合成,而绿色植物另外两大门类所保留天冬氨酸通路而犬尿素通路发生不同程度的基因丢失现象。这揭示了Prasinoderma coloniale通过HGT获得并保留犬尿素通路可能用于皮考啉酸的合成来适应复杂的海洋环境 (图4)。

 

图4:Prasinoderma coloniale具有完整的考啉酸合成途径

 

综上所述,该研究报道了绿色植物一个全新的门类,将绿色植物从2个门类增加为3个门类,并且证明了华藻门为最早分化的绿色植物分支。同时,该研究通过比较基因组学揭示了其代谢的进化和环境适应机制,对认识整个绿色生命系统起源具有重要的理论和实践意义。
 
万种植物基因组计划(10KP Project: https://db.cngb.org/10kp/)植物陆地化与早期陆地植物演化专项,专注于绿色植物水生到陆生及早期植物陆地生长适应性的分子机制,已经完成超过100种绿藻和苔藓基因组测序,于2019年12月在Nature Plants(Sibo Wang at. el 2019)分别发表了MesostigmaChlorokybus早期轮藻揭示绿色植物陆地化过程中一些重要基因的起源及重要遗传代谢的进化机制。2020年2月共同在Nature Plants共同参与了角苔基因组早期陆地植物进化的发表。
 
该论文的第一作者为华大生命科学院研究院与丹麦 KU/DTU联合培养博士研究生李林洲王思博,通讯作者为深圳华大生命科学研究院刘欢研究员,德国科隆大学 Michael Melkonian教授,比利时根特大学Yves Van de Peer教授。该项目得到了农业基因组学国家重点实验室、深圳国家基因库、深圳市科创委的支持。
 
本研究中Prasinoderma coloniale的全基因组组装、注释和原始数据已保存在深圳国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号:CNP0000924。
数据链接:
https://db.cngb.org/search/project/CNP0000924/
 
论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41559-020-1221-7

 

* 本文转载自微信公众号“BioArt植物”