비교유전체학으로 독특한 질소 발견

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4334(2023) 이 기사 인용

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국화과(데이지과)는 식물 중 가장 큰 과 중 하나입니다. 생물다양성이 높고 적응성이 뛰어난 유전적 근거는 아직 밝혀지지 않았습니다. 여기에서 우리는 국화과의 구성원인 줄기 상추에 대한 두 개의 새로운 염색체 규모 게놈 어셈블리와 국화과의 가장 가까운 외집단 중 하나인 구데니아과의 구성원인 Scaevola taccada를 포함하여 29개의 육상 식물 종의 게놈을 비교합니다. 우리는 국화과가 약 8천만년 전에 유래했으며 반복적인 고다배체화를 경험했음을 보여줍니다. 생물의 거의 모든 영역에 존재하는 질소-탄소(NC) 동화의 보편적인 조절자인 PII는 국화과 전체에서 눈에 띄게 사라졌습니다. 한편, 국화과(Asteraceae)는 고다수체화(paleopolyploidization)와 주요 대사 유전자의 직렬 복제를 통해 NC 균형 시스템을 단계적으로 업그레이드하여 질소 흡수 및 지방산 생합성을 향상시켰습니다. 국화과에 대해 보고된 독특한 NC 균형 시스템은 생태학적 성공을 위한 분자적 기반을 제시하는 것 외에도 잠재적인 작물 개선 전략을 제공합니다.

속씨식물(현화식물)은 급속한 육상 복사와 종의 다양화를 경험했으며, 결국 백악기가 끝나기 전에 생태학적으로 지배적이게 되었으며, 찰스 다윈은 “가증스러운 미스터리”1로 유명하게 묘사했습니다. 특히 국화과(Asteraceae)는 꽃 피는 식물 중 가장 큰 과로서 난초과(Orchidaceae)와 경쟁한다. 국화과(Asteraceae)는 1620개 이상의 속과 30,000종 이상으로 구성되어 있으며 전체 개화종의 약 10%를 차지합니다(보충 그림 1 및 보충 참고 1)2,3. 국화과 종의 풍부함은 Calyceraceae (47 spp.), Goodeniaceae (430 spp.) 및 Menyanthaceae (60 spp.)을 포함하여 Asterales 목의 관련 과보다 훨씬 높습니다3. 놀라운 다양성과 탁월한 적응성을 갖춘 가장 생태학적으로 성공적인 가족으로서 그 구성원은 사막 및 염원과 같은 극한 환경을 포함하여 지구상 거의 모든 유형의 서식지에서 발생합니다(보조 그림 1)4. 국화과의 놀라운 적응성을 설명할 수 있는 또 다른 예는 이 과에 속하는 식물이 세계적으로 침입하는 종 목록에서 상위 3위 안에 든다는 것입니다(보조 그림 1). 국화과의 생태학적 성공은 특정 형태 및 생리학과 관련이 있는 것으로 간주됩니다. 예를 들어, 특징적인 꽃차례(두상화)는 먹이와 번식을 위해 이 과에 크게 의존하는 곤충 수분매개자를 유인함으로써 생태학적 방사선에 실질적으로 기여합니다5. 강모의 갓털이 있는 수과 같은 열매(cypselae)는 바람에 의해 분산되거나 동물의 털이나 깃털에 부착됩니다2. 이 두 가지 분산 방법 모두 대부분의 다른 유형의 씨앗보다 더 먼 거리에 씨앗이 퍼지는 결과를 낳습니다. 또한, 전분 대신 이눌린형 프럭탄은 국화과의 주요 예비 탄수화물이며 환경 문제에 적응하는 능력을 높이는 잠재적인 기능을 가지고 있습니다6,7,8. 그러나 국화과의 폭발적인 다양성과 적응성을 점진적으로 이해하는 것은 여전히 ​​생물학자들에게 큰 과제로 남아 있습니다.

국화과의 기원과 초기 진화는 결정적이지 않고 신비스럽습니다. 새로운 화석 증거와 국화과에 대한 보다 폭넓은 표본을 사용한 최근 국화과의 계통발생 연구는 그 기원이 백악기 후기(6,900만 ~ 8,900만 년 전 [MYA]) 어느 때인 것으로 나타났습니다2,5,9. 이 가족은 기존 화석 기록을 기반으로 최근(40-50 MYA)까지 상대적으로 젊은 것으로 간주되었으며, 이 기간은 분자시계가 제공하는 기간과 일치합니다2,10,11. 최근 게놈 분석10,12,13,14에 의해 전체 게놈 삼중화로 간주되는 국화과의 왕관 노드 근처의 아과에 의해 고다수체화 이벤트가 제안되고 공유되었습니다. 또한 배수체화가 모든 유전자를 동시에 복제하고 신기능화와 같은 진화 과정에 풍부한 유전 물질을 제공한다는 점을 고려하면 여러 부족 내에서 빈번하게 발생할 수 있는 고대 전체 게놈 복제(WGD)가 진화를 촉진하고 생물 다양성을 증가시키는 힘이 될 것으로 추정 및 예측되었습니다. 하위 기능화 및 복용량 효과로 인한 유전자 보존. 배수체화에 대한 통찰력은 최첨단 시퀀싱 기술을 활용하여 고품질 게놈을 탐구함으로써 국화과의 특정 특성에 대한 유전적 기반을 실현 가능하게 합니다.