Comparative transcriptomic analysis reveals conserved programmes underpinning organogenesis and reproduction in land plants

生物 器官发生 托换 繁殖 转录组 基因 计算生物学 生物技术 遗传学 基因表达 生态学 工程类 土木工程
作者
Irene Julca,Camilla Ferrari,María Flores‐Tornero,Sebastian Proost,Ann‐Cathrin Lindner,Dieter Hackenberg,Lenka Steinbachová,Christos Michaelidis,Sónia Gomes Pereira,Chandra Shekhar Misra,Tomokazu Kawashima,Michael Borg,Frédéric Berger,Jacob M. Goldberg,Mark A. Johnson,David Honys,David Twell,Stefanie Sprunck,Thomas Dresselhaus,Jörg D. Becker
出处
期刊:Nature plants [Nature Portfolio]
卷期号:7 (8): 1143-1159 被引量:132
标识
DOI:10.1038/s41477-021-00958-2
摘要

The appearance of plant organs mediated the explosive radiation of land plants, which shaped the biosphere and allowed the establishment of terrestrial animal life. The evolution of organs and immobile gametes required the coordinated acquisition of novel gene functions, the co-option of existing genes and the development of novel regulatory programmes. However, no large-scale analyses of genomic and transcriptomic data have been performed for land plants. To remedy this, we generated gene expression atlases for various organs and gametes of ten plant species comprising bryophytes, vascular plants, gymnosperms and flowering plants. A comparative analysis of the atlases identified hundreds of organ- and gamete-specific orthogroups and revealed that most of the specific transcriptomes are significantly conserved. Interestingly, our results suggest that co-option of existing genes is the main mechanism for evolving new organs. In contrast to female gametes, male gametes showed a high number and conservation of specific genes, which indicates that male reproduction is highly specialized. The expression atlas capturing pollen development revealed numerous transcription factors and kinases essential for pollen biogenesis and function. A large-scale comparison of transcriptome datasets from ten evolutionarily representative species identifies general patterns on the genomic evolution of various plant organs. Among various insights, the authors find that the origin of organ-specific gene families predate the origin of the organs themselves.
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