Ithaca, New York, USA
March 13, 2020
Researchers sequenced the genomes of three hornworts, including this Anthoceros agrestis. These ancient plants hold evolutionary secrets that could help crops grow more efficiently with less fertilizer. Image credit: Eftychis Frangedakis
Some 500 million years ago – when our continents were likely connected in a single land mass and most life existed underwater – hornworts were one of the first groups of plants to colonize land. But biologists have never understood much about the genetics of these ancient plants, which have very unique biology.
Fay-Wei Li from the Boyce Thompson Institute, Péter Szövényi from the University of Zurich and researchers from across the globe sequenced the genomes of three hornworts, illuminating the dawn of land plants. The group also discovered genes that likely underpin the plants’ special methods of acquiring carbon and nitrogen.
The findings could lead to the development of crops that produce higher yields with the use of less synthetic fertilizer.
“We know life is basically built by carbon, nitrogen and phosphorus – those are key to increasing agricultural yields,” said Li, BTI faculty member and a corresponding author of the paper. “If we can unlock hornworts’ secrets, then we might be able to transfer those traits to agriculturally important plants.”
The results were published in the journal Nature Plants on March 13.
The research team began the project in 2011, said Szövényi, a researcher at the University of Zurich and the other corresponding author of the paper. “It took us three years to figure out how hornworts can be grown and pushed through its sexual life cycle under laboratory conditions, and another three years to properly assemble and annotate its genome. It was really hard to crack!”
One of the researchers’ goals was to find genes that play a role in hornworts’ method of concentrating carbon dioxide inside chloroplasts, which boosts the plants’ ability to make sugar. Hornworts are unique among land plants in this capability, but some species of algae share the trait. The team thus compared the hornwort genomes with those of algae and found one gene, LCIB, that is shared by the two groups of plants but not with other land plants.
“If this carbon-concentrating mechanism could be installed in crop plants, then they could grow larger with the same amount of fertilizer,” said Li, who is also an adjunct assistant professor of plant biology at Cornell University.
The group also identified 40 genes that may promote the hornworts’ source of nitrogen, which comes from a symbiotic relationship with cyanobacteria. “That’s a really unique function,” Li said. ”Very few plants can do this.”
If crop plants could be developed to have a similar symbiotic relationship with cyanobacteria, then farmers could use less nitrogen fertilizer, said Li. Such a reduction in fertilizer could benefit the environment because excess agricultural nitrogen frequently enters waterways, where it can cause deadly algal blooms.
Li plans to further study these genes as part of a recent EDGE grant from the National Science Foundation, which seeks to develop technologies for determining the functions of hornwort genes. “Once we have the genetic tools then we will be able to investigate the roles of these genes in hornworts’ unconventional ways of sourcing carbon and nitrogen,” Li said.
The research also shed light on the evolution of early land plants. Hornworts, liverworts and mosses were among the first plants to colonize land, but how the three groups were related had not been clear.
“In terms of the relationship of land plants, there has been a huge debate of where hornworts sit,” Li said. “Here, we have strong evidence that hornworts, liverworts and mosses are all more closely related to each other than they are to vascular plants. We also show that liverworts and mosses are more closely related to each other than to hornworts.”
“The data we generated fill a really important gap in how we try to understand the evolution of land plants,” added Li.
The research was supported by the National Science Foundation (grant number DEB1831428).
Ertragreichere Kulturpflanzen dank Genen von uralten Hornmoosen
Hornmoose gehören zu den ältesten noch existierenden Landpflanzen. (Bild: Michael Lüth)
Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Zürich und des Boyce Thompson Institute hat erstmals das Genom mehrerer Hornmoose analysiert, was neue Einblicke in die Evolution der frühesten Landpflanzen eröffnet. In der uralten Pflanzengruppe entdeckten die Wissenschaftler Gene, um zukünftig Kulturpflanzen zu züchten, die effizienter wachsen und weniger Dünger benötigen.
Vor etwa 500 Millionen Jahren – als die Kontinente in einer einzigen Landmasse verbunden waren und das meiste Leben unter Wasser existierte – waren Hornmoose (Anthoceros) eine der ersten Pflanzengruppen, die das Land besiedelten. Ein internationales Team, das von Forschenden der Universität Zürich (UZH) und des Boyce Thompson Institute geleitet wird, hat nun erstmals das Genom von drei Hornmoosarten sequenziert. Sie gewähren damit Einblicke in die einzigartige Biologie dieser noch immer existierenden Gruppe uralter Landpflanzen.
Begonnen hat das Forschungsprojekt bereits im Jahr 2011. «Wir haben drei Jahre gebraucht, um herauszufinden, wie Hornmoose unter Laborbedingungen ideal wachsen und ihren Lebenszyklus vollenden können. Und weitere drei Jahre, um das Genom korrekt zusammenzufügen und zu analysieren», sagt Péter Szövényi, Pflanzenwissenschaftler an der UZH und Letztautor der Publikation.
Höhere Ernteerträge mit weniger Dünger
Eines der Ziele war es, jene Gene zu finden, mit denen Hornmoose Kohlendioxid in den Chloroplasten konzentrieren. Die Pflanzen können so mehr Zucker herstellen und effizienter wachsen. Unter den Landpflanzen ist diese Eigenschaft einzigartig, bloss einige Algenarten verfügen auch über diese Fähigkeit. Beim Vergleich der Genome von Hornmoosen mit jenen von Algen entdeckten die Wissenschaftler ein Gen – LCIB – das in beiden Pflanzengruppen, nicht aber in anderen Landpflanzen vorkommt. «Wenn es gelingt, diesen Mechanismus der Kohlenstoffkonzentration in Kulturpflanzen zu übertragen, würden sie mit derselben Menge an Dünger besser wachsen und höhere Erträge erzielen», erklärt Erstautor Wei Li, Pflanzenbiologe am Boyce Thompson Institute und der Cornell University in den USA.
Symbiose mit Bakterien zur Gewinnung von Stickstoff
Hornmoose verfügen über eine weitere, für Landpflanzen einzigartige Besonderheit: Sie leben in Symbiose mit Pilzen und Cyanobakterien, die die Pflanze mit Phosphor und Stickstoff versorgen. Die Forschenden identifizierten 40 Gene, die am Prozess, wie die Pflanzen Stickstoff von den Bakterien aufnehmen, beteiligt sind. «Wenn diese Fähigkeit von Hornmoosen in Nutzpflanzen eingebaut werden könnte, liessen sich grosse Mengen an Stickstoffdünger einsparen», sagt Szövényi. Eine solche Düngerreduktion würde auch der Umwelt nützen, da überschüssiger Stickstoff aus der Landwirtschaft häufig in Flüsse und Seen gelangt, wo er giftige Algenblüten verursachen kann. Szövényi und Li arbeiten bereits an einem Projekt, den genetischen Mechanismus von Hornmoosen zu verstehen, der der symbiotischen Interaktion mit Cyanobakterien zugrunde liegt.
Ursprung von Landpflanzen entschlüsseln
Die Forschungsarbeit wirft auch Licht auf die Evolution der frühen Landpflanzen. Ohne Spaltöffnungen können die meisten Pflanzen kein Kohlendioxid aufnehmen und an Land gedeihen. Spaltöffnungen sind daher eine Schlüsselinnovation, die es Pflanzen ermöglichte, Land zu besiedeln. Unklar war bislang, ob sich Spaltöffnungen bei Landpflanzen einmal oder möglicherweise mehrfach unabhängig voneinander entwickelt haben. Auch Hornmoose besitzen Spaltöffnungen während ihrer sporenbildenden Phase. «Wir konnten zeigen, dass die grundlegenden genetischen Elemente zur Entwicklung von Spaltöffnungen in Blütepflanzen mit jenen von Hornmoosen übereinstimmen», erklärt Szövényi. Die Wissenschaftler bestätigen damit die Hypothese, dass sich Spaltöffnungen bei den frühesten gemeinsamen Vorfahren der Landpflanzen nur einmal entwickelt haben.
Hornmoose, Lebermoose und Laubmoose gehören zu den ersten Pflanzen, die das Land kolonisierten. Bisher war jedoch unklar, wie diese drei Gruppen untereinander verwandt sind. «Unsere Daten zeigen klar, dass Horn-, Leber- und Laubmoose enger miteinander verwandt sind als mit höher entwickelten Gefässpflanzen. Zudem sind Leber- und Laubmoose enger miteinander verwandt als mit Hornmoosen», sagt Fay-Wei Li.
Originalpublikation:
Fay-Wei Li et. al. Anthoceros genomes illuminate the origin of land plants and the unique biology of hornworts. Nature Plants. March 13, 2020. DOI: 10.1038/s41477-020-0618-2
Topics
Species
