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Jul 30, 2023

Il genoma di Torreya grandis illumina l'origine e l'evoluzione delle gimnosperme

Nature Communications volume

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1315 (2023) Citare questo articolo

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Le piante Torreya producono frutti secchi con funzioni assortite. Qui, riportiamo l'assemblaggio del genoma a livello di cromosoma da 19 Gb di T. grandis. Il genoma è modellato da antiche duplicazioni dell'intero genoma e da ricorrenti raffiche di retrotrasposoni LTR. Le analisi genomiche comparative rivelano geni chiave coinvolti nello sviluppo degli organi riproduttivi, nella biosintesi della parete cellulare e nella conservazione dei semi. Due geni che codificano per una C18 Δ9-elongasi e una C20 Δ5-desaturasi sono identificati come responsabili della biosintesi dell'acido sciadonico ed entrambi sono presenti in diversi lignaggi vegetali ad eccezione delle angiosperme. Dimostriamo che le scatole ricche di istidina della Δ5-desaturasi sono cruciali per la sua attività catalitica. L'analisi del metiloma rivela che le valli di metilazione del genoma del seme di T. grandis ospitano geni associati a importanti attività del seme, tra cui la parete cellulare e la biosintesi dei lipidi. Inoltre, lo sviluppo dei semi è accompagnato da cambiamenti nella metilazione del DNA che probabilmente alimentano la produzione di energia. Questo studio fornisce importanti risorse genomiche e chiarisce il meccanismo evolutivo della biosintesi dell'acido sciadonico nelle piante terrestri.

L'emergere di piante da seme costituite da angiosperme e gimnosperme ha segnato un evento epocale nell'evoluzione delle piante terrestri e nel cambiamento degli ambienti terrestri. Angiosperme e gimnosperme si sono differenziate nel Basso Mississippiano1, seguita da una rapida radiazione di piante da fiore che ha prodotto circa 352.000 specie esistenti sulla Terra rispetto a sole 1.000 specie di gimnosperme. Esiste una varietà di diversità morfologica/anatomica e versatilità metabolica tra angiosperme e gimnosperme, ma i meccanismi genetici e biochimici sottostanti sono in gran parte sfuggenti2,3.

Torreya grandis, una specie di gimnosperma appartenente a un piccolo genere della famiglia del tasso (Taxaceae), è un albero utile e multiuso, che fornisce legname, medicine, semi commestibili e olio4 (Fig. 1a). La prima testimonianza credibile di T. grandis come fonte medicinale appare nel Classico della Materia Medica durante i Tre Regni della Cina e risale all'inizio del III secolo d.C.5. T. grandis è l'unica specie delle Taxaceae con semi commestibili, utilizzati come cibo da migliaia di anni in Cina per il loro sapore unico e i componenti benefici5,6. Gli oli sono arricchiti nei semi di T. grandis con un contenuto medio del 45,80–53,16%7. È stato scoperto che l'acido sciadonico (SCA), un acido grasso ω6 non interrotto da metilene, è uno dei componenti principali nella composizione in acidi grassi dell'olio di nocciolo7. La SCA ha effetti positivi sulla salute umana e funziona nel ridurre l'infiammazione, abbassare i trigliceridi, prevenire la formazione di coaguli di sangue e regolare il metabolismo dei lipidi8,9,10. La produzione di SCA è stata rilevata in diversi lignaggi di gimnosperme e in una manciata di alghe e felci11. Tuttavia, l'SCA è generalmente assente nelle piante da fiore, con l'eccezione di alcuni eudicotiledoni inferiori (ad esempio, Ranunculaceae)12, lasciando così un enigma sulla sua origine ed evoluzione nelle piante verdi.

a Albero e allegagione di T. grandis. Il pannello inferiore mostra il seme secco lavorato e la sua parte edibile (endosperma). b Grafico Circos del genoma di T. grandis e caratteristiche genomiche codificate dai cromosomi. Ciascuna caratteristica è stata calcolata sulla base di una finestra di 10 Mb attraverso i cromosomi. Le stelle colorate indicano la presenza di sequenze telomeriche all'estremità 5' (verde) o 3' (arancione) del cromosoma. c Distribuzione del tempo di inserimento LTR-RT. Il pannello di sinistra mostra tutti i membri delle famiglie Gypsy e Copia e le prime sei sottofamiglie più abbondanti sono mostrate nel pannello di destra. d Ks distribuzione degli ortologhi tra T. grandis, Sequoiadendron giganteum, Ginkgo biloba e Gnetum montanum. Ks di paraloghi in T. grandis è stato adattato con il modello di mistura guassiana ed è indicato il presunto antico WGD. e Micro-collinearità tra i genomi di T. grandis, G. biloba e G. montanum. I dati di origine vengono forniti come file di dati di origine.