Expansion of alginate, ferredoxin, and transporter related gene families led to the evolution of brown algae in the Stramenopiles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Brown algae (Phaeophyceae) originated from Stramenopile which is different from the evolutionary history of red algae, green algae and land plant. Also, during the evolutionary process, plants communicated actively with the terrestrial environment and brown algae with the marine environment. Nevertheless, there are many parts common to plants, including morphological plasticity, size diversity, and differentiation of specialized tissue. To understand this common features of brown algae, from the evolutionary perspective, we conducted this study by initiating the process of decoding the genetics of four brown algae (i.e., Chorda asiatica, Agarum clathratum, Costaria costata, and Undaria peterseniana) from the taxonomical class of Phaeophyceae and compared with 25 genomes in Stramenopile, including published brown algae i.e., Cladosiphone okamuranus, Ectocarpus siliculosus, Saccharina japonica and Undaria pinnatifida. As a result, we found that the evolutionary relationship of three expanded gene families in brown algae. The first, the evolution of brown algae suitable for the marine environment has been achieved by expanding ferredoxin to increase photosynthetic efficiency and maintaining flavodoxin to prepare for the stress condition. Second, the expansion of the gene that biosynthesis and lyase of alginate, a main component of cell wall, provided the potential to increase the morphological plasticity of brown algae. The third is the expansion of transporter genes related to specific tissue differentiation. All of these are believed to have contributed to the increasing of body size and development of detailed organs in multicellular organisms. All of these features are unique to brown algae in the Stramenopiles. Therefore, we strongly suggest that the specialized tissue differentiation, the diversity of body size and morphological plasticity of brown algae are the result of an efficient photosynthetic system, the increasing of biosynthesis and lysis of alginate, and the expansion of membrane transporter by simultaneously performing cyclic chains.

국문 초록 (Abstract)

갈조류 (Phaeophyceae)는 현재 2,000여종이 보고되었으며, 외형 및 크기가 매우 다양하여 해중림을 이루는 주요한 생물군이다. 부착근, 줄기, 엽상체 부분으로 세분화된 조직을 가지고 있어 식물과 유사하다. 그러나 갈조류의 기원은 홍조류, 녹조류 및 육상 식물로 이어지는 진화 역사와는 다른 부등편모조류로부터 유래되었으며, 적응한 환경 또한 육상 식물과는 다른 해양 환경이다. 본 연구는 식물의 진화와는 또다른 메커니즘으로 획득된 갈조류의 진화적 특징을 이해하기위해 끈말 (Chorda asiatica), 구멍쇠미역 (Agarum clathratum), 쇠미역 (Costaria costata) 및 넓미역(Undaria peterseniana) 4종의 유전체를 해독하였다. 신규 유전체 자료는 이미 보고된 4종의 갈조류 유전체 큰실말 (Cladosiphone okamuranus), 참솜털 (Ectocarpus siliculosus), 다시마 (Saccharina japonica) 및 미역 (Undaria pinnatifida)을 포함한 부등편모조류 총 25개 유전체 정보와 생물정보학적 기법을 이용하여 비교 분석 되었다. 분석 결과, 갈조류 유전체에서 특이적으로 증폭된 3개의 유전자 패밀리의 진화 과정을 추정할 수 있었다. 첫째, 광합성 시스템에서 전자 전달에 관여하는 ferredoxin과 flavodoxin 유전자의 확장과 보존이다. 초기 갈조류인 Ectocarpales 종에서 Laminariales 종으로 진화되는 동안 고효율의 전자전달체인 ferredoxin은 유전체내에서 점진적으로 여러 개의 유전자로 증폭되었고, 전자전달 효율은 상대적으로 낮지만, 산화적 스트레스 환경에서 안정적으로 전자를 전달할 수 있는 flavodoxin은 한 카피의 유전자로 유지됨을 관찰하였다. 이는 해양환경에서 효율적이고 안정적인 광합성을 가능케 했을것으로 추정된다. 둘째, 갈조류 세포벽의 주성분인 alginate 생합성과 분해 (lyase) 유전자의 증폭이다. Actinobacter기원의 수평유전자이동을 통해 갈조류로 유입된 이들 유전자들은 외부의 다양한 자극으로부터 세포를 안정적으로 유지하고, 다양한 물질들의 흡수가 가능하도록 세포벽의 유연성을 제공하는 것으로 판단된다. 셋째, 특정 조직의 기능과 연관된 membrane transporter 유전자의 확장이다. 이들 유전자들은 다양한 물질 수송을 통해 다세포 생물의 기관 발달에 기여하는 것으로 보인다. 이들 세가지 특징들은 부등편모조류 중 갈조류에서만 관찰되는 고유한 특징이다. 본 비교유전체 분석 결과, 갈조류는 1) 광합성 시스템의 효율성을 높이고, 2) 알긴산의 생합성과 분해를 쉽게하여 연관된 세포벽 성분의 유연한 조절을 하고, 3) 특화된 막단백질 유전자의 확장을 통해 형태적으로 다양하고 세분화된 조직을 갖는 대형 다시마류로 진화했음을 추정하였다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT 11
• GENERAL INTRODUCTION 13
• EXPANSION OF ALGINATE, FERREDOXIN, AND TRANSPORTER RELATED GENE FAMILIES LED TO THE EVOLUTION OF BROWN ALGAE IN THE STRAMENOPILES 17
• 1. INTRODUCTION 17
• 1.1. Fe-S cluster for photosynthetic efficiency 17
• 1.2. Alginate for morphological plasticity 23
• 1.3. Transporter system for specialized tissue 30
• 2. RESULT AND DISCUSSION 37
• 2.1. Genomes construction of four brown algal 37
• 2.2. Comparison of the eight brown algae genomes 42
• 2.3. Lineage-specific genes of brown algae in Stramenopiles 60
• 2.4. Evolution of Ferredoxin and Flavodoxin for efficient photosynthesis 69
• 2.5. Evolution of alginate biosynthesis and lysis for morphological plasticity 80
• 2.6. Evolution of membrane transporter for specialized tissue 95
• 3. CONCLUSION 102
• 4. MATERIAL AND METHODS 107
• 4.1. Sample preparation 107
• 4.2. Genomic DNA library preparation and sequencing 107
• 4.3. Preprocessing and genome size estimation 109
• 4.4. De novo genome assembly 110
• 4.5. De novo repeat region prediction and classification 111
• 4.6. Gene prediction and function annotation 111
• 4.7. Orthologous analysis 113
• 4.8. Phylogenetic tree construction and evolution rate estimation 113
• 4.9. Ks analysis 114
• 4.10. Alginate lyase gene family analysis 115
• 4.11. Ferredoxin-related gene family analysis 116
• 4.12. Transporter gene family annotation 117
• 4.13. Gene expression analysis 117
• REFERENCES 120
• APPENDICES 136
• 초록 147