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Haben Avocado und Orange einen gemeinsamen Vorfahren?

Haben Avocado und Orange einen gemeinsamen Vorfahren?


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Während ich meine Orange esse, fühlte ich mich, als würde ich Avocado essen. Es könnten genetische Manipulationen sein, aber es ließ mich darüber nachdenken, ob sie einen gemeinsamen evolutionären Vorfahren haben. Gibt es?


Hier ist eine Website, die den Baum des Lebens sehr genau präsentiert: tolweb.org/tree

Ja, sie haben wie alle anderen Lebewesen einen gemeinsamen Vorfahren! Wie eng sind sie verwandt?

Beide Arten sind:

  • Eukaryoten (Zellen mit Kern)
  • Archaeplastidae (Pflanzen)
  • Angiospermen (blühende Pflanzen)

Dann teilen sie sich ihren Weg! Hier ist die tolweb.org-Seite, die dieser Art entspricht: http://tolweb.org/Angiosperms/20646

Die Avocado gehört zur Familie Laurales: http://tolweb.org/Laurales/20672

Die Orange gehört zur Familie der Rutacea (Sapindales, Rosids, Eudicots): http://tolweb.org/Sapindales/21051.

Sie können den linken Pfeil im Baum dieser Seiten verwenden, um durch die Zeiten zurückzukehren und die verschiedenen Artbildungsereignisse zu sehen, die beide Arten trennen.

Während die Orange eine Eudikotyle ist, gehört die Avocado zu den Magnolien. Die ältesten Fossilienfunde eines Angiosperms lebten um 132MYA (siehe Crane et al., 2004). Die beiden Arten divergieren also ziemlich lange! Um einen Vergleich anzustellen, sie sind genauso distanziert wie Menschen und Kaninchen (es ist eine grobe persönliche Schätzung, dafür habe ich keine Referenz!)

Hinweis: Die Orange wird im Lateinischen Citrus sinensis genannt. Die Art hat ihren Ursprung in China. Die Avocado heißt Persea americana und stammt aus Mittelamerika (wie der Name schon sagt).

Ich weiß nicht, warum Sie das Gefühl haben, dass sie eng verwandt sind. Vielleicht mag jemand ein paar Worte über ihre chemischen Verbindungen (und ihren Geschmack) sagen, aber auf den ersten Blick schmecken diese beiden Früchte für mich ganz anders. Oder vielleicht haben sie aufgrund der Konvergenzevolution einige bemerkenswert ähnliche phänotypische Merkmale ... Ich weiß es nicht genau!


Haben Avocado und Orange einen gemeinsamen Vorfahren? - Biologie

Da ein phylogenetischer Baum eine Hypothese über evolutionäre Beziehungen ist, möchten wir Charaktere verwenden, die zuverlässige Indikatoren für gemeinsame Vorfahren sind, um diesen Baum zu erstellen. Wir verwenden homologe Zeichen — Zeichen in verschiedenen Organismen, die ähnlich sind, weil sie von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt wurden, der auch diesen Charakter hatte. Ein Beispiel für homologe Charaktere sind die vier Gliedmaßen von Tetrapoden. Vögel, Fledermäuse, Mäuse und Krokodile haben alle vier Gliedmaßen. Haie und Knochenfische nicht. Der Vorfahre der Tetrapoden entwickelte vier Gliedmaßen, und seine Nachkommen haben dieses Merkmal geerbt — daher ist das Vorhandensein von vier Gliedmaßen eine Homologie.

Nicht alle Zeichen sind Homologien. Vögel und Fledermäuse haben zum Beispiel beide Flügel, Mäuse und Krokodile hingegen nicht. Heißt das, dass Vögel und Fledermäuse enger miteinander verwandt sind als Mäuse und Krokodile? Nein. Wenn wir Vogelflügel und Fledermausflügel genau untersuchen, stellen wir fest, dass es einige große Unterschiede gibt.

Fledermausflügel bestehen aus Hautlappen, die zwischen den Finger- und Armknochen gespannt sind. Vogelflügel bestehen aus Federn, die sich über den ganzen Arm erstrecken. Diese strukturellen Unterschiede deuten darauf hin, dass Vogelflügel und Fledermausflügel nicht von einem gemeinsamen Vorfahren mit Flügeln geerbt wurden. Diese Idee wird durch die folgende Phylogenie veranschaulicht, die auf einer Vielzahl anderer Charaktere basiert.

Vogel- und Fledermausflügel sind analog – das heißt, sie haben unterschiedliche evolutionäre Ursprünge, sind aber oberflächlich ähnlich, weil sie beide eine natürliche Selektion erfahren haben, die sie so geformt hat, dass sie eine Schlüsselrolle im Flug spielen. Analogien sind das Ergebnis konvergenter Evolution.

Obwohl Vogel- und Fledermausflügel den Flügeln ähnlich sind, sind sie interessanterweise als Vorderbeine homolog. Vögel und Fledermäuse erbten keine Flügel von einem gemeinsamen Vorfahren mit Flügeln, aber sie erbten Vordergliedmaßen von einem gemeinsamen Vorfahren mit Vordergliedmaßen.


Ein spanischer Navigator entdeckte im 16. Jahrhundert die Avocado in Yaharo wieder

Aber es war der Seefahrer Martin Fernandez De Encisco aus dem 15. Encisco schreibt in seinem bahnbrechenden Werk Suma de Geografia (1519) über eine Frucht, die er in der Hafenstadt Yaharo zufällig entdeckte, die “ wie eine Orange aussieht”, aber “gelb wird, wenn sie verzehrfertig ist.” Er erklärt den “fabelhaften Geschmack& #8221 aus dem Inneren der Frucht, die “wie Butter” schmeckt und “so gut und angenehm für den Gaumen ist.” 2


Resultate und Diskussionen

Interdomänen-Gentransfers von proS und Ach

Zuvor zeigten wir, dass die Gene, die für die Prolyl-tRNA-Synthetase bzw. die Alanyl-tRNA-Synthetase kodieren, höchstwahrscheinlich seitlich von Archaeen auf Diplomonaden übertragen wurden (Andersson et al. 2003). Um diese Interdomänentransfers weiter zu untersuchen, haben wir die eukaryotische taxonomische Stichprobe für diese Gene erweitert, um Sequenzen aus drei weiteren Entamoeba Art, die Heterolobose Naegleria, der pelobiont Mastigamoeba, die Parabasalide Trichomonas, die Kieselalge Thalassiosira, der Oomycete Phytophthora, und die Ciliaten Paramezium und Tetrahymena. Im Großen und Ganzen stimmen die phylogenetischen Analysen der aktualisierten Datensätze der beiden Proteine ​​bis auf wenige leicht identifizierbare Ausnahmen recht gut mit der erwarteten organismischen Phylogenie überein ( Abb. 1). Nur zwei dieser unerwarteten Verzweigungsmuster mit hoher Bootstrap-Unterstützung werden bei den Prokaryoten beobachtet, beide in der proS Baum der Pirellula Sequenz zeigt enge Verwandtschaft mit α-Proteobakterien und den Halobakterium Sequenz befindet sich an einer anderen Position als die anderen Euryarchaeota-Sequenzen ( Abb. 1EIN). Überraschenderweise tauchen die Eukaryoten in einer Handvoll unerwarteter Positionen auf. Die D. discoideum und P. sojaAch Sequenzen werden außerhalb der eukaryotischen Hauptgruppe gefunden ( Abb. 1B). Leider ist die statistische Unterstützung für die Trennung schwach und daher sind die Ursprünge dieser Sequenzen ungewiss. Beide proS und Ach Pflanzensequenzen werden mit starker Unterstützung innerhalb der Eubakterien gefunden (Abb. 1), was höchstwahrscheinlich auf zwei Gentransferereignisse zwischen Domänen hindeutet – die Ach Sequenz fast sicher über den Chloroplasten. Schließlich findet sich in beiden Bäumen eine Untergruppe der Eukaryoten innerhalb der Archaeen verschachtelt ( Abb. 1), was stark auf einen Gentransfer zwischen Archaeen und Eukaryoten hindeutet. Die scheinbar ähnliche Häufigkeit beobachteter Gentransferereignisse bei Eukaryoten im Vergleich zu Prokaryoten für diese beiden Aminoacyl-tRNA-Gene mag etwas überraschend sein ( Abb. 1). Wir haben jedoch zuvor berichtet, dass der Gentransfer Prokaryoten und mikrobielle Eukaryoten in ähnlichem Ausmaß in den Glutamat-Dehydrogenase-Genfamilien beeinflusst zu haben scheint ( Andersson und Roger 2003), was darauf hindeutet, dass der laterale Gentransfer tatsächlich ein weit verbreiteter evolutionärer Mechanismus bei mikrobiellen Eukaryoten sein könnte ( Andersson ua 2003 Archibald ua 2003 Gogarten 2003).

Phylogenien von zwei Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Proteinsequenz-Datensätzen. ML-Bäume von (EIN) Prolyl-tRNA-Synthetase und (B) Alanyl-tRNA-Synthetase. Angezeigt sind Protein-ML-Bootstrap-Werte von mehr als 50 %, berechnet mit PHYML (ML+Γ). Bootstrap-Unterstützung für kritische Doppelpartitionen aus zusätzlichen Analysen wird in Kästchen zum Vergleich angezeigt (LogDet) und maximale Sparsamkeit (Pars). Eubakterien sind schwarz, Archaea blau und Eukaryoten entsprechend ihrer Einteilung in „Supergruppen“ gekennzeichnet ( Cavalier-Smith 2002 Simpson und Roger 2002 Baldauf 2003): Opisthokonts (orange), Amöbozoen (violett), Plantae (grün), Chromalveolaten (rot) und Ausgrabungen (braun). Das eukaryotische Rückgrat ist grau markiert.

Phylogenien von zwei Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Proteinsequenz-Datensätzen. ML-Bäume von (EIN) Prolyl-tRNA-Synthetase und (B) Alanyl-tRNA-Synthetase. Angezeigt sind Protein-ML-Bootstrap-Werte von mehr als 50 %, berechnet mit PHYML (ML+Γ). Bootstrap-Unterstützung für kritische Doppelpartitionen aus zusätzlichen Analysen wird in Kästchen zum Vergleich angezeigt (LogDet) und maximale Sparsamkeit (Pars). Eubakterien sind schwarz, Archaea blau und Eukaryoten entsprechend ihrer Einteilung in „Supergruppen“ gekennzeichnet ( Cavalier-Smith 2002 Simpson und Roger 2002 Baldauf 2003): Opisthokonts (orange), Amöbozoen (violett), Plantae (grün), Chromalveolaten (rot) und Ausgrabungen (braun). Das eukaryotische Rückgrat ist grau markiert.

Ein einziger archaischer Ursprung von Diplomonade und Parabasalid proS

Die Topologie mit einer eukaryotischen Klade einschließlich Parabasaliden- und Diplomonaden-Sequenzen, die mit den Archaeen verschachtelt sind, unter Ausschluss anderer Eukaryoten, wird in der stark unterstützt proS Stammbaum nach allen phylogenetischen Methoden, was wahrscheinlich auf einen Interdomänen-Gentransfer von den Archaea auf einen gemeinsamen Vorfahren dieser eukaryotischen Gruppen hinweist. Der spezifische archaeische Ursprung der proS Gen in Diplomonaden und Parabasaliden ist aufgrund der großen Unterschiede zwischen den Ergebnissen der verschiedenen verwendeten phylogenetischen Methoden schwieriger zu identifizieren. Eine besondere Beziehung zwischen den N. equitans und die eukaryotischen Sequenzen wird durch einen Bootstrap-Wert von 73% in der ML-Analyse unterstützt, und die Beziehung wird durch die anderen ML-Methoden sowie mit Sparsamkeit wiederhergestellt ( Abb. 1EIN). Die LogDet-Distanzanalyse widerspricht jedoch. Die Nanoarchäum Beziehung wird nur in 25 % der Bootstrap-Replikate wiederhergestellt ( fig 1EIN), während 52 % der Replikate die eukaryotischen Sequenzen basal zu den Archaeen platzieren (Daten nicht gezeigt) – eine Position, die nur in 4 % der Replikate in den ML-Bootstrap-Analysen gefunden wird, die das Gamma-Modell der Ratenheterogenität beinhalten (Daten nicht gezeigt). Denn sowohl die N. equitans und der G. lamblia Sequenzen haben den auf die Datensätze angewendeten Test auf die Heterogenität der Aminosäurezusammensetzung nicht bestanden, und die angewandten phylogenetischen Methoden gehen von einer einheitlichen Aminosäurezusammensetzung innerhalb des Datensatzes aus (mit Ausnahme der LogDet-Analyse), der spezifischen Beziehung zwischen Nanoarchaeota, Diplomonad und Parabasalid Sequenzen könnten das Ergebnis einer artefaktischen Anziehung sein, die durch die Heterogenität der Aminosäurezusammensetzung verursacht wird. Auf der anderen Seite konnte ein Modell, das die Ratenheterogenität innerhalb des Datensatzes berücksichtigt, nicht auf die LogDet-Analyse angewendet werden, da dies einen größeren Datensatz erfordern würde (Thollesson 2004 M. Thollesson, persönliche Mitteilung) und die Anziehungskraft zwischen der Diplomandin und Parabasalid-Sequenzen – die die längsten Zweige innerhalb des Archaeen-/Diplomonaden-/Parabasaliden-Unterbaums darstellen ( Abb. 1EIN) – und der lange interne Zweig in dieser Analyse könnte ein Artefakt sein, das durch das Fehlen eines Ratenheterogenitätsmodells verursacht wird. Ohne ein effizientes Verfahren, das gleichzeitig Modelle von Geschwindigkeits- und Aminosäure-Heterogenitäten einbeziehen kann, kann die Beziehung innerhalb des Archaeen/Diplomonaden/Parabasaliden-Unterbaums offensichtlich nicht mit einem hohen Maß an Sicherheit aufgelöst werden proS.

Gentransfer-Ereignisse haben Archaeen verbreitet Ach in diversen mikrobiellen Eukaryoten

Die eukaryotische Gruppe mit der größten Vielfalt innerhalb der Ach Baum kommt innerhalb von Eubakterien vor, und ein eukaryotischer Cluster mit Diplomonaden, Parabasaliden, Entamoeba, und Ciliatensequenzen wird als Schwestergruppe zu den N. equitans Sequenz mit hoher Bootstrap-Unterstützung (≥98% für alle Methoden [ Abb. 1B]). Angesichts aktueller Berichte über die eukaryotische Phylogenie (Baldauf et al. 2000 Bapteste et al. 2002 Cavalier-Smith 2002 Simpson und Roger 2002 Baldauf 2003) lässt sich diese Topologie am einfachsten durch einen Gentransfer auf einen gemeinsamen Vorfahren von Diplomonaden und Parabasaliden erklären, gefolgt von zwei Gentransfers von Eukaryonten zu Eukaryonten, die die alte eukaryontische Version im Ciliaten ersetzten und Entamoeba Linien. Insbesondere die gut unterstützte Beziehung in ML und Sparsamkeitsanalysen zwischen den Trichomonas Reihenfolge und die Entamoeba und Ciliatensequenzen unter Ausschluss von Diplomonaden im Ach Baum legt nahe, dass ein Parabasalid die eukaryontische Spenderlinie für den ersten der beiden Gentransfers von Eukaryonten zu Eukaryonten war. Interessanterweise stellt die LogDet-Analyse die Entamoeba und Ciliatensequenzen als Schwestergruppe der Diplomonaden mit einer hohen Bootstrap-Unterstützung (92%). Da alle Sequenzen in diesem Cluster den Test für die Heterogenität der Aminosäurezusammensetzung bestanden, wird die Inkonsistenz zwischen ML- und LogDet-Analysen wahrscheinlich durch das Fehlen eines Modells erklärt, das die Heterogenität der Rate in letztere einbezieht – die Trichomonas Sequenz stellt den längsten Zweig im Cluster dar und wird in der LogDet-Analyse tatsächlich von der Wurzel des Clusters angezogen. Obwohl nur wenige laterale Gentransfers zwischen Eukaryoten beschrieben wurden ( Andersson et al. 2003 Archibald et al. 2003 Bergthorsson et al. 2003), sollten die abgeleiteten Intradomänentransfers nicht überraschen, da beide Entamoeba und Ciliaten sind phagotrophe Abstammungslinien, die sowohl mikrobielle Eukaryonten als auch Prokaryonten aufnehmen können. Die Alternativhypothese – dass beide Ach Versionen waren beim letzten gemeinsamen eukaryotischen Vorfahren vorhanden und gingen anschließend unterschiedlich verloren – ist aus mehreren Gründen viel unwahrscheinlicher. Ciliaten, Entamoeba, und Parabasaliden/Diplomonaden sind spezifisch mit den Apicomplexa, Pelobionten bzw. Abb. 1B). Plasmodium falciparum (Apikomplexa) und M. balamuthi (Pelobiont)-Sequenzen wurden aufgrund der starken Aminosäure-Heterogenität bzw. der kurzen Länge von den phylogenetischen Analysen ausgeschlossen (Daten nicht gezeigt). Daher müssen viele parallele unabhängige Verluste postuliert werden, wenn die „archaeale“ Version allen Eukaryoten angeboren wäre. Außerdem haben alle existierenden Eukaryoten entweder die „bakterielle“ oder die „archaeale“ Version von Ach– es wurde keines gefunden, das beides kodiert – was gegen die Beibehaltung beider Versionen in einem einzigen Genom über einen langen evolutionären Zeitraum spricht, wie es in einem Szenario mit „alter Paralogie und differentiellem Verlust“ gefordert wird.

Übertragung von zwei ungespaltenen Nanoarchaeota-Genen in einem einzigen Ereignis?

Ein Gentransfer-Ratchet-Mechanismus könnte das Vorhandensein der beiden Archaeen-Gene in den eukaryotischen Genomen erklären ( Doolittle 1998). oder es könnte eine symbiotische Beziehung zwischen einem solchen Organismus und dem Eukaryoten bestanden haben. Bemerkenswerterweise lebt die einzige beschriebene Art von Nanoarchaeota als Symbiont mit einem Crenarchaeon (Huber et al. 2002 Waters et al. 2003). Die Organisation der Gene in Nanoarchäum deutet darauf hin, dass der Transfer der beiden tRNA-Synthetase-Gene in einem einzelnen statt in mehreren Ereignissen stattgefunden haben könnte. Die N. equitansAch Gen ist eines von mehreren in diesem Genom, von dem gezeigt wird, dass es in zwei nicht zusammenhängende Teile „aufgeteilt“ ist (Waters et al. 2003). Seltsamerweise ist das Gen, das dem C-Terminus von entspricht, Ach zeigt eine enge genetische Verbindung zum proS Gen werden sie durch nur ein einziges Gen getrennt, das für ein hypothetisches Protein im Nanoarchaeum-Genom kodiert. Wenn die Vorfahren ungeteilt sind Ach Gen in der nanoarchaealen Linie an der aktuellen Position des C-terminalen Gens lokalisiert war, würde die Übertragung eines einzelnen DNA-Fragments ausreichen, um beide zu übertragen Ach und proS in einem einzigen Ereignis zu einem gemeinsamen Vorfahren von Diplomonaden und Parabasaliden. Die Tatsache, dass Nanoarchaeum das einzige Archaeengenom (von 18 verfügbaren vollständigen Genomsequenzen aus dieser Domäne) ist, das eine so enge Verknüpfung dieser beiden Gene zeigt, unterstützt dieses Szenario.

Ein gemeinsamer Vorfahre von Diplomonaden und Parabasaliden bis zum Ausschluss der Wurzel

Diese Ergebnisse haben mehrere weitere wichtige Implikationen. Sowohl Diplomonaden (Chihade et al. 2000) als auch Parabasaliden (Keeling und Palmer 2000) wurden jeweils einzeln als Vertreter des tiefsten eukaryotischen Zweiges vorgeschlagen, und rDNA-Phylogenien haben sie lange Zeit als die beiden frühesten auftauchenden Gruppen dargestellt ( Sogin 1991). Unsere Daten zeigen, dass keiner dieser Vorschläge richtig ist – das Vorhandensein von zwei Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Genen archaealischer Vorfahren sind gemeinsame abgeleitete Merkmale, die sie von den anderen in die Studie einbezogenen Eukaryoten unterscheiden, was darauf hindeutet, dass sie einen gemeinsamen Vorfahren haben. So kann die Wurzel von Eukaryoten weder auf dem Zweig liegen, der zu Diplomonaden führt, noch auf dem Zweig, der zu Parabasaliden führt. Obwohl dies bereits früher vorgeschlagen wurde (Embley und Hirt 1998 Cavalier-Smith 2002 Simpson und Roger 2002 Baldauf 2003 Cavalier-Smith 2003 Simpson 2003), war die Unterstützung durch phylogenetische Analysen relativ schwach ( Henze et al. 2001 Simpson et al. 2002 Cavalier -Smith 2003 Simpson 2003). Unsere Daten beziehen sich nicht direkt auf die phylogenetische Position der Diplomonaden/Parabasaliden-Gruppe innerhalb der Eukaryoten. Dennoch wird die Bestätigung der spezifischen Beziehung zwischen Diplomonaden und Parabasaliden das Verständnis der Evolution zweier wichtiger menschlicher Krankheitserreger vertiefen, G. lamblia und T. vaginalis, deren Genome in Kürze beide vollständig sequenziert werden. Zum Beispiel legt diese Schwestergruppenbeziehung nahe, dass Hydrogenosomen, von Mitochondrien abgeleitete, Wasserstoff entwickelnde energieerzeugende Organellen in T. vaginalis und die kürzlich entdeckten mitochondrialen Restorganellen (Mitosomen) in G. lamblia (Tovar et al. 2003) können gemeinsame anaerobe Vorfahren haben. In der Tat, weil die meisten existierenden Archaeenlinien, einschließlich N. equitans, in sauerstoffarmen Umgebungen existieren, wie sie von freilebenden Diplomonaden und Parabasaliden bewohnt werden, fanden die Übertragungen wahrscheinlich in einem anaeroben Vorfahren dieser beiden Protisten-Linien statt, der bereits begonnen haben könnte, kanonische aerobe mitochondriale Funktionen zu verlieren.

Antike Gentransfers geben Einblicke in Nanoarchaeota

Die Phylogenien der beiden übertragenen Gene weisen auch darauf hin, dass die Abstammungslinie, die zu Nanoarchaeota führte, von Crenarchaeota und Euryarchaeota vor der Divergenz zwischen Diplomonaden und Parabasaliden abwich. Darüber hinaus ist die Übertragung eines kontinuierlichen Nanoarchäons Ach Gen auf einen Eukaryoten weist darauf hin, dass das Vorhandensein von gespaltenen, nicht zusammenhängenden Genen – eines davon ist Ach—auf dem Genom von N. equitans ist wahrscheinlich eher ein abgeleitetes Merkmal als eine Widerspiegelung des angestammten Zustands von Genen in der frühen mikrobiellen Evolution. Somit ist die Aufteilung N. equitans Gene sind wahrscheinlich keine Indikatoren dafür, dass die Abstammungslinie „ein lebendes mikrobielles Fossil“ darstellt (Thomson et al. 2004). Leider bleibt unklar, ob die unterschiedliche Natur der N. equitans Sequenzen ist eine Folge des symbiotischen Lebensstils der Linie ( Boucher und Doolittle 2002) oder weist auf einen wirklich alten Ursprung innerhalb der Archaeen hin. Weitere phylogenetische Studien sind erforderlich, um die phylogenetische Position von Nanoarchaeota innerhalb der Archaeen zu bestätigen. Auf jeden Fall deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass es mesophile Archaeen gegeben hat, die näher mit Nanoarchaeota als mit Crenarchaeota oder Euryarchaeota verwandt sind, da der gemeinsame Vorfahre von Diplomonaden und Parabasaliden höchstwahrscheinlich ein Mesophiler war ( Cavalier-Smith 2002) und die physische Nähe der Organismen ist wahrscheinlich ein wichtiger Faktor, der die Wahrscheinlichkeit erfolgreicher Gentransferereignisse enorm erhöht. Ein Übergang von einem Hyperthermophilen zu einem Mesophilen, das in der Nähe einer hyperthermophilen Umgebung lebt, kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, und weitere Studien sind erforderlich, um zu klären, ob es noch mesophile Organismen gibt, die mit Nanoarchaeota verwandt sind und ob sie als Symbionten mit Eukaryoten leben. Hoffentlich werden weitere Beispiele für lateralen Gentransfer zwischen Domänen, die aus genomischen Sequenzen entdeckt wurden, die Phylogenie innerhalb von Prokaryoten und Eukaryoten weiter aufklären und uns ermöglichen, den relativen Zeitpunkt wichtiger evolutionärer Ereignisse in unterschiedlichen Regionen des Lebensbaums zu bestimmen.


Eine Avocado am Tag hält Ihre Darmmikroben glücklich, Studien zeigen

Der Verzehr von Avocado als Teil Ihrer täglichen Ernährung kann zur Verbesserung der Darmgesundheit beitragen, wie eine neue Studie der University of Illinois zeigt. Avocados sind ein gesundes Lebensmittel, das reich an Ballaststoffen und einfach ungesättigten Fettsäuren ist. Es war jedoch nicht klar, wie Avocados die Mikroben im Magen-Darm-System oder "Darm" beeinflussen.

"Wir wissen, dass der Verzehr von Avocados Ihnen hilft, sich satt zu fühlen und die Cholesterinkonzentration im Blut zu senken, aber wir wussten nicht, wie es die Darmmikroben und die von den Mikroben produzierten Metaboliten beeinflusst", sagt Sharon Thompson, Doktorandin in der Abteilung für Ernährungswissenschaften an der U of Ich und Hauptautor des Papiers, veröffentlicht im Zeitschrift für Ernährung.

Die Forscher fanden heraus, dass Menschen, die täglich Avocado als Teil einer Mahlzeit aßen, eine größere Menge an Darmmikroben aufwiesen, die Ballaststoffe abbauen und Metaboliten produzieren, die die Darmgesundheit unterstützen. Sie hatten auch eine größere mikrobielle Vielfalt im Vergleich zu Personen, die die Avocado-Mahlzeiten in der Studie nicht erhielten.

"Mikrobielle Metaboliten sind Verbindungen, die die Mikroben produzieren und die die Gesundheit beeinflussen", sagt Thompson. "Der Verzehr von Avocado reduzierte die Gallensäuren und erhöhte kurzkettige Fettsäuren. Diese Veränderungen korrelieren mit positiven Gesundheitsergebnissen."

Die Studie umfasste 163 Erwachsene zwischen 25 und 45 Jahren mit Übergewicht oder Fettleibigkeit – definiert als BMI von mindestens 25 kg/m2 – aber ansonsten gesund. Sie erhielten eine Mahlzeit pro Tag als Ersatz für Frühstück, Mittag- oder Abendessen. Eine Gruppe konsumierte zu jeder Mahlzeit eine Avocado, während die Kontrollgruppe eine ähnliche Mahlzeit zu sich nahm, jedoch ohne Avocado. Die Teilnehmer stellten während der 12-wöchigen Studie Blut-, Urin- und Stuhlproben zur Verfügung. Sie berichteten auch, wie viel von den bereitgestellten Mahlzeiten sie konsumierten und alle vier Wochen zeichneten sie alles auf, was sie aßen.

Während sich andere Studien zum Avocadokonsum auf die Gewichtsabnahme konzentrierten, wurde den Teilnehmern dieser Studie nicht empfohlen, ihre Ernährung einzuschränken oder zu ändern. Stattdessen nahmen sie ihre normale Ernährung ein, mit der Ausnahme, dass sie eine Mahlzeit pro Tag durch die von den Forschern bereitgestellte Mahlzeit ersetzten.

Der Zweck dieser Studie war es, die Auswirkungen des Avocadokonsums auf die gastrointestinale Mikrobiota zu untersuchen, sagt Hannah Holscher, Assistenzprofessorin für Ernährung am Department of Food Science and Human Nutrition an der U of I und Senior-Autorin der Studie.

„Unser Ziel war es, die Hypothese zu testen, dass die Fette und die Ballaststoffe in Avocados die Darmmikrobiota positiv beeinflussen. Wir wollten auch die Zusammenhänge zwischen Darmmikroben und Gesundheitsergebnissen untersuchen“, sagt Holscher.

Avocados sind jedoch reich an Fett. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass, während die Avocado-Gruppe etwas mehr Kalorien zu sich nahm als die Kontrollgruppe, etwas mehr Fett über den Stuhl ausgeschieden wurde.

"Eine stärkere Fettausscheidung bedeutet, dass die Forschungsteilnehmer weniger Energie aus den Nahrungsmitteln aufnahmen, die sie zu sich nahmen. Dies war wahrscheinlich auf die Verringerung der Gallensäuren zurückzuführen, die Moleküle sind, die unser Verdauungssystem absondert, die es uns ermöglichen, Fett aufzunehmen. Wir fanden heraus, dass die Menge an Gallensäuren im Stuhl war niedriger und der Fettgehalt im Stuhl war in der Avocado-Gruppe höher", erklärt Holscher.

Verschiedene Arten von Fetten haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Mikrobiom. Die Fette in Avocados sind einfach ungesättigte, also herzgesunde Fette.

Auch der Gehalt an löslichen Ballaststoffen ist sehr wichtig, merkt Holscher an. Eine mittelgroße Avocado liefert etwa 12 Gramm Ballaststoffe, was einen großen Beitrag zur Erreichung der empfohlenen Menge von 28 bis 34 Gramm Ballaststoffen pro Tag leistet.

„Weniger als 5% der Amerikaner essen genug Ballaststoffe. Die meisten Menschen verbrauchen etwa 12 bis 16 Gramm Ballaststoffe pro Tag. Daher kann die Aufnahme von Avocados in Ihre Ernährung dazu beitragen, dass Sie der Ballaststoffempfehlung näher kommen“, bemerkt sie.

Ballaststoffe sind nicht nur gut für uns, sondern auch wichtig für das Mikrobiom, sagt Holscher. „Wir können Ballaststoffe nicht abbauen, aber bestimmte Darmmikroben können das. Wenn wir Ballaststoffe konsumieren, ist dies eine Win-Win-Situation für die Darmmikroben und für uns.“

Das Forschungslabor von Holscher ist spezialisiert auf die diätetische Modulation des Mikrobioms und dessen Verbindungen zur Gesundheit. „So wie wir an herzgesunde Mahlzeiten denken, müssen wir auch an eine gesunde Ernährung für den Darm und die Ernährung der Mikrobiota denken“, erklärt sie.

Avocado ist ein energiereiches Lebensmittel, aber auch nährstoffreich und enthält wichtige Mikronährstoffe, von denen die Amerikaner nicht genug essen, wie Kalium und Ballaststoffe.

„Es ist einfach eine wirklich schön verpackte Frucht, die Nährstoffe enthält, die für die Gesundheit wichtig sind. Unsere Arbeit zeigt, dass wir dieser Liste Vorteile für die Darmgesundheit hinzufügen können“, sagt Holscher.

Die Veröffentlichung "Avocado-Konsum verändert Magen-Darm-Bakterien-Abundanz und mikrobielle Metabolitenkonzentrationen bei Erwachsenen mit Übergewicht oder Fettleibigkeit: eine randomisierte kontrollierte Studie" Zeitschrift für Ernährung.

Autoren sind Sharon Thompson, Melisa Bailey, Andrew Taylor, Jennifer Kaczmarek, Annemarie Mysonhimer, Caitlyn Edwards, Ginger Reeser, Nicholas Burd, Naiman Khan und Hannah Holscher.

Die Finanzierung der Forschung wurde vom Hass Avocado Board und dem USDA National Institute of Food and Agriculture, Hatch-Projekt 1009249, bereitgestellt. Sharon Thompson wurde vom USDA National Institute of Food and Agriculture AFRI Predoctoral Fellowship, Projekt 2018-07785, und der Illinois . unterstützt College of ACES Jonathan Baldwin Turner-Stipendium. Jennifer Kaczmarek wurde durch ein Exzellenzstipendium der Division of Nutrition Sciences unterstützt. Andrew Taylor wurde von einem Stipendium des Department of Food Science and Human Nutrition unterstützt. Die Abteilung für Ernährungswissenschaften stellte eine Startfinanzierung durch die Stiftung Margin of Excellence zur Verfügung.

Die Abteilung für Ernährungswissenschaften und die Abteilung für Lebensmittelwissenschaften und menschliche Ernährung sind am College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences der University of Illinois angesiedelt.


Der Citrus-Stammbaum

Alle Orangen, Zitronen, Limetten und Grapefruits, die Sie jemals gegessen haben, stammen von nur wenigen alten Arten ab.

Zitrusfrüchte stehen in vielerlei Hinsicht für sich allein. So viele kultivierte Arten stammen von so wenigen Primärvorfahren ab. Eigentlich nur drei: Zitronen, Pomelos und Mandarinen, die alle in Süd- und Ostasien beheimatet waren, bevor sie ihre Reise nach Westen antraten, zu Orten wie Florida, Kalifornien und Brasilien, die ganze Volkswirtschaften um Früchte vom anderen Ende der Welt bauten.

Diese einfache Abstammung ist das Ergebnis beeindruckender Gemeinsamkeiten. Fast alle Zitrusfrüchte haben die seltene genetische Kombination, sexuell kompatibel und sehr anfällig für Mutationen zu sein. Solche Merkmale ermöglichen es ihren Genen, sich über Tausende von Jahren selbst und schließlich durch den Menschen zu vermischen. Das Produkt so vieler natürlicher Kreuzungen in freier Wildbahn und selektiver Zucht auf Forschungsfarmen und auf Feldern ist jede Orange, Zitrone, Limette und Grapefruit, die Sie jemals gegessen haben.

Keine andere Obstgattung kann sich einer solchen Abstammung rühmen, und neue Forschungen bringen Klarheit über die Herkunft von Zitrusfrüchten. Grapefruits sind eine menschliche Entdeckung, weniger als 300 Jahre alt. Aber Zitrusfrüchte selbst sind uralt. Versteinerte Blätter, die 2009 und 2011 in der chinesischen Provinz Yunnan entdeckt wurden, deuten darauf hin, dass Zitrusfrüchte seit dem späten Miozän vor sieben Millionen Jahren existierten. Die Menschen haben jedoch eine große Winning mitgebracht: Von Tausenden von Wildarten sind nur ein paar Dutzend kommerzielle Giganten wie die Nabelorange, die Heureka-Zitrone und die mexikanische Limette geworden. Sie sind das Zitrus ein Prozent.

Die Wissenschaftler, die Zitrusfrüchte studieren, lieben sie wegen ihrer Anziehungskraft, ihres Mysteriums und ihrer Dramatik. „Zitrusfrüchte haben etwas Faszinierendes, Ausgefallenes, sogar Sexy an sich“, sagt der Pomologe David Karp, dessen Forschungen die obige Illustration stützen. Eine bakterielle Krankheit namens Huanglongbing (auch bekannt als Citrus Greening), die dazu führt, dass Pflanzen entlauben, verrotten und schließlich absterben, bedroht die kommerzielle Produktion auf jedem Ackerbaukontinent, einschließlich Nordamerika, wo die Krankheit 2005 auftrat.

Doch eine Obstgruppe mit so ruhmreicher Geschichte lässt sich nicht so leicht ausrotten. Die Zukunft wird wahrscheinlich mehr Zitrussorten bringen, nicht weniger. „Zitrusfrüchte sind konkurrenzfähig“, sagt der Zitruszüchter und Genetiker Fred Gmitter und erklärt, wie weltweite Forscher darum kämpfen, beispielsweise Mandarinen zu entwickeln, die süßer, kernloser und leichter zu schälen sind. "In naher Zukunft werden Sie viele neue Dinge außerhalb der Box sehen." Und ein ständig wachsender Stammbaum.


Mutter aller Zitrusfrüchte: Orangen, Grapefruit, Zitronen und Limetten stammen alle von einem einzigen Vorfahren ab

Orangen, Grapefruit, Zitronen und Limetten sind alle Hybriden, gemischt und abgestimmt aus 10 “wilden” Zitrusarten, die vor etwa acht Millionen Jahren von einem einzigen asiatischen Vorfahren abstammen, sagten Wissenschaftler….

Ein globales Team von Wissenschaftlern sequenzierte die Genome von 60 Zitrussorten, um einen Stammbaum zu erstellen, der bis zu den Wurzeln einer der beliebtesten Obstgruppen der Welt führt.

Sie verfolgten die Mutter aller Zitrusfrüchte im späten Miozän bis zu den südöstlichen Ausläufern des Himalaya, sagte Guohong Wu, Co-Autor der Studie vom Joint Genome Institute des US-Energieministeriums, gegenüber AFP.

Dieses Exemplar, sagte er, ähnelte wahrscheinlich einer heutigen, ungenießbaren “papeda” — eine bittere, saure Frucht.

Aus dieser Quelle entstanden 10 wilde oder “natürliche” Arten —, darunter der Pummelo, die wilde Mandarine und eine Art Kumquat.

Einige der zehn sind ausgestorben.

“Alle anderen Zitrussorten, einschließlich der wirtschaftlich bedeutenden Sorten (Orangen, Grapefruits, Zitronen, Limetten) sind Hybriden, die aus zwei oder mehr der … 10 reinen Arten abgeleitet sind,” Wu per E-Mail.


Denisovaner: Ein weiterer menschlicher Verwandter

Wissenschaftler haben auch DNA von einer anderen ausgestorbenen Hominin-Population gefunden: den Denisovans. Von der Art wurden bisher nur ein einziges Fragment einer Phalanx (Fingerknochen) und zwei Zähne gefunden, die alle vor etwa 40.000 Jahren entstanden sind (Reich 2010). Diese Art ist das erste fossile Hominin, das allein aufgrund seiner DNA als neue Art identifiziert wurde. Denisova-Menschen sind sowohl mit modernen Menschen als auch mit Neandertalern verwandt und wichen wahrscheinlich vor etwa 300.000 bis 400.000 Jahren von diesen Abstammungslinien ab. Sie fragen sich vielleicht: Wenn wir die DNA von Denisova-Menschen haben, warum können wir sie dann nicht mit modernen Menschen vergleichen, wie wir es mit Neandertalern tun? Warum geht es in diesem Artikel nicht auch um sie? Die Antwort ist einfach, dass wir nicht genug DNA haben, um einen Vergleich anzustellen. Der bisher gefundene Drei-Proben-Pool von Denisovanern ist statistisch ein viel zu kleiner Datensatz, um aussagekräftige Vergleiche ableiten zu können. Solange wir nicht mehr Denisova-Material finden, können wir ihr vollständiges Genom nicht so verstehen, wie wir Neandertaler studieren können.

Neandertaler und moderne Menschen teilten sich Lebensräume in Europa und Asien

Wir können die DNA von Neandertalern und modernen Menschen untersuchen, um zu sehen, ob sie sich mit modernen Menschen vermischt haben

Wir können die DNA von Neandertalern untersuchen, weil wir eine ausreichend große Stichprobengröße (Anzahl der einzelnen Neandertaler) haben, um sie mit Menschen zu vergleichen


Ähnlichkeiten zwischen Pflanzen und Algen

Wir beginnen mit ähnlichen Punkten zwischen diesen beiden Arten von Lebewesen. Dies sind die Hauptähnlichkeiten zwischen Pflanzen und Algen :

  • Sie haben Chloroplasten mit zwei Membranen. Die Existenz der beiden Membranen legt nahe, dass in dieser Gruppe die Organellen, die die Photosynthese ermöglichen, aus einem endosymbiotischen Ereignis zwischen einem primitiven eukaryotischen Vorfahren und photosynthetischen Cyanobakterien entstanden sind. Die Chloroplasten von Pflanzenzellen enthalten Chlorophyll.
  • Chlorophyten, Rhodophyten, Glaucophyten und Embryophyten speichern Stärke als Reservekohlenhydrat.
  • Die Mitochondrien der Zellen haben meist abgeflachte Rippen. Die Mitochondrien sind die Organellen, in denen Zellatmung durchgeführt wird, ein Prozess, bei dem die Zelle Sauerstoff und organisches Material im Austausch gegen Energie verbraucht.
  • Die Zellwände bestehen aus Cellulosepolysacchariden.
  • Sie treten auf Photosynthese . Dank Sonnenenergie fixieren sie CO2 und produzieren Sauerstoff und organische Stoffe, die sie für die Zellatmung und die Energiegewinnung benötigen.
  • Sie sind autotroph , das heißt, sie machen ihre organische Materie aus anorganischem Material. Konzept im Zusammenhang mit der Photosynthese.
  • Sowohl Algen als auch Pflanzen können darin leben aquatische Umgebungen und terrestrische Umgebungen .

Antwort des Autors

Zusammenfassung:

Die Gutachter fanden heraus, dass die Arbeit wichtige Einblicke in diese Familie von Rezeptoren bietet: Erstens unterstützt Ihre Entdeckung von GRLs in mehreren einzelligen Organismen die Behauptung, dass Sie es mit einer großen Familie mit Pflanzenhomologen zu tun haben, obwohl die Analysen zur Sequenzkonservierung spekulativ bleiben. Der größte Fortschritt resultiert jedoch aus den Tertiärstrukturen dieser Proteine, die die Kraft von trRosetta nutzen, um zu beweisen, dass die GRL-Proteine ​​entfernte Mitglieder derselben Superfamilie sind. This represents a significant advance in our understanding of the origins of this superfamily of proteins.

However, the reviewers had also two major concerns: One is the serious lack of technical details and you must provide more information about how many genomes were used in your initial search and discuss whether it was exhaustive or so stringent that more members of the family likely exist: Providing more technical details will help make the work more accessible.

We acknowledge this concern and have now provided additional technical details on the initial searches and other analyses in the Materials and methods. We further note that all code and sequence files are provided as Supplementary files, and outputs of the von Anfang an protein modelling are available on the Dryad repository (doi:10.5061/dryad.s7h44j15f).

We hope these efforts will clarify the search strategies taken and aid in the reproduction and extension of this work by others. Although our searches have been very broad phylogenetically, the extreme divergence in the primary sequences of these proteins and the relatively stringent criteria for retaining hits – to avoid excessive numbers of spurious matches with other polytopic membrane proteins – make it highly likely that additional members of the family exist (as we now stress in the Discussion and Materials and methods sections). In this work, we have preferred to be relatively conservative by including proteins for which several lines of evidence support their homology to insect chemosensory receptors (i.e., from amino acid sequence similarity and predicted secondary and tertiary structural analyses). Although finer scale details of the evolution of this superfamily will likely emerge in the future, we believe the current data support the central conclusion of our work (i.e., the origin of the insect chemosensory receptor superfamily in the last common eukaryotic ancestor).

The second point is that functional data would be very useful, e.g. showing biochemically that distant members behave similarly to the fly proteins, or that they serve (or not!) as ligand-gated channels. If you have already acquired this type of data, they would strengthen your paper. However, a discussion of possible molecular functions would be sufficient in the absence of such data.

We also would very much like to have functional data on these phylogenetically distant homologs, but do not have anything to add to the current manuscript. Functional characterization is far from trivial: if they are ion channels, it is unknown what ligands might gate them if they are not channels, it is not obvious how to determine what biochemical function(s) they do possess. Our planned initial approach would be reverse genetic while this is certainly conceivable for the plant proteins (using Arabidopsis thaliana as a model), for the fungal and protist species possessing GRL homologs, none are yet genetically accessible. Transgenesis was very recently reported in Spizellomyces punctatus (Medina et al., eLife 2020), raising hope that genome-editing approaches will soon be available in this species.

We have expanded the Discussion to discuss possible molecular functions of family members. While we feel that consideration of roles of unicellular eukaryotic GRLs would be pure speculation at this stage (little is known about the biology of these species), we do incorporate some further information on the plant homologs.

Reviewer #1:

Vertebrate and nematode odorant receptors (ORs) function as GPCRs, while insect ORs were derived from gustatory receptors (GRs) and function as ligand gated ion channels. However, the evolutionary origin of insect GRs is not clear. The manuscript of Benton, Dessimoz and Moi titled "A putative origin of insect chemosensory receptors in the last common eukaryotic ancestor" answered this key question. Following the previous studies that identified GR-like proteins (GRLs) in animals, and GR homologs, known as the DUF3537 domain-containing proteins in plants, they further identified and performed phylogenetic analysis on GRL proteins in unicellular eukaryotic organisms, including fungi, protists, and algae, the common ancestor of plants and animals.

Overall, the topic of this manuscript is very interesting and well written. The data are solid. Several key points have been addressed, including role of TM7, consistent predicted orientation of TM domains, presence of intracellular loops (like ORCO), conserved vs diverse regions on GRL proteins, and same origin for plant and animal GRLs. Therefore, I strongly recommend for publication, after the authors properly address the following concerns:

1) The major weakness is that there is no functional analysis. If any of GRL proteins is predicted to be a canonical chemical sensor, would it be possible to utilize Xenopus or another system to test the hypothesis?

As described above in response to the general comments, we also would very much like to have functional data on these phylogenetically distant homologs, but do not have anything to add to the current manuscript. Experimental characterization is far from trivial: if they are ion channels, it is unknown what ligands might gate them (necessitating large-scale chemical screening). If they are not channels, it is unclear how best to determine what biochemical function(s) they do possess. Our planned initial approach would be reverse genetic while this is certainly conceivable for the plant proteins (using Arabidopsis thaliana as a model), for the fungal and protist species possessing GRL homologs, none are yet genetically accessible. Transgenesis was very recently reported in Spizellomyces punctatus (Medina et al., eLife 2020), raising hope that genome-editing approaches will soon be available in this species.

2) If functional study is currently a big challenge, could the authors perhaps add some validation on GRL protein localization in a unicellular eukaryote? I wonder if antibody could be made and used to test membrane localization of GRL, or a tagged protein could be ectopically expressed in a cell line (or yeast).

While it certainly would be possible to tag these proteins with GFP and express them in a heterologous cell type, we do not think such results alone would be particularly informative. It is almost certain – based upon the secondary structure predictions – that these are integral membrane proteins, but they could potentially localize anywhere within the endomembrane system. Without validation in the endogenous cell types, it would be hard to interpret whether localization patterns are real or artefactual (due to, for example, protein over-expression, an impact of the protein tag or an influence of the heterologous cellular environment). Antibodies might be an alternative tool to assess endogenous protein localization, although there has only been very limited success for generation of effective antibodies against insect receptors moreover, this approach would require development of immunofluorescence protocols for the fungal or protist species of interest and ideally a means of validating antibody specificity (e.g., by parallel staining of genetic knock-outs of the corresponding GRL).

An early study of one of the plant proteins, A. thaliana AT4G22270, revealed that an overexpressed GFP-tagged version displayed membrane localization (Guan et al., 2009). Curiously, this study (mis)predicted the family as having four transmembrane domains and did not recognize the similarity with insect chemosensory receptors. This work also found that overexpression of AT4G22270 led to increases in the size of various plant organs, although the relevance of this phenotype (if any) remains to be confirmed by loss-of-function analysis. Nevertheless, the cellular localization may be real and we cite this work in the revised Discussion.

3) "heteromeric (probably tetrameric) complexes composed of a tuning OR, which recognises odour ligands, and a universal co-receptor, ORCO" This describes a dimeric complex with one OR and one ORCO. It seems not consistent with "probably tetrameric"

We have clarified this sentence to indicate that the tetrameric complex probably comprises two tuning OR subunits and two ORCO subunits.

4) Introduction paragraph three provides examples of non-chemosensation functions of GRL proteins. I suggest to expand and add a table or a supplemental table, which should include currently known expression patterns and functions of GR and GRL proteins in animals and plants.

To our knowledge, the work cited in this paragraph, and the revised Discussion (which incorporates further information on the plant proteins – see the comment above) encompasses all known “non-chemosensory” roles of this family. For completeness, we have now added a sentence to this paragraph on the thermosensory and light-sensing functions of D. melanogaster GR28b isoforms. At this stage, we feel that information on non-chemosensory function of members of this repertoire is simply too sparse – and the evidence for certain functions too limited – to warrant a table, which would ultimately be redundant with the information in the text.

Reviewer #2:

In this work, Benton and colleagues consider the evolutionary origin of the immense insect chemoreceptor family, which includes odorant receptors (ORs) and gustatory receptors (GRs). Past sequence mining from the Benton lab and others has suggested that distant members of the GRL family were found in diverse Protostomia and also homologous to a family of uncharacterized plant proteins containing the Domain of Unknown Function 3537. However, despite multiple GRL lineages being present in early branching deuterostomes, GRLs have been completely lost from the chordate lineage suggesting recurrent independent losses, obscuring their exact evolutionary trajectory. Here Benton and colleagues extend their genome mining analyses to identify 17 sequences from fungi, protista and unicellular plants that share the same overall topology and some of the poorly conserved sequence features of this family. Finally, they use the extraordinary power of trRosetta to predict candidate GRL structures from the diverse lineages de novo and demonstrate that they share the same distinct architecture as an experimental structure of an OR. By far the most impressive part of the manuscript is the structure prediction since it would argue that these distantly related members, even bearing little sequence conservation, fold into the same distinct helical arrangement. If correct, this would argue that the GRL family is incredibly ancient, originating in the last eukaryotic ancestor, 1.5-2 Billion years ago, which has important implications for thinking about how this immense family arose.

Overall, I have a few concerns that should be addressed:

1) The Materials and methods are quite sparse and require a lot of effort by the reader to appreciate how well controlled and vetted their results are. Only 17 members of the family were found across the genomes of fungi, protista and unicellular plants, derived from an even smaller subset of species, which the authors acknowledge is extremely sparse and implies either that they propagated by lateral gene transfer or were independently lost many times, making their evolutionary origin still a bit uncertain. The authors should provide more information about how many genomes were used in their initial search and discuss whether it was exhaustive or so stringent that more members of the family likely exist.

As described above in response to the general comments, we acknowledge this concern and have now provided additional technical details on the initial searches and other analyses in the Materials and methods. We further note that all code and sequence files are provided as Supplementary files, and outputs of the von Anfang an protein modelling are available on the Dryad repository (doi:10.5061/dryad.s7h44j15f).

We hope these efforts will clarify the search strategies taken and aid in the reproduction and extension of this work by others. Although our searches have been very broad phylogenetically, the extreme divergence in the primary sequence of these proteins and the relatively stringent criteria for retaining hits – to avoid excessive numbers of spurious hits with other polytopic membrane proteins – make it highly likely that additional members of the family exist (as we now stress in the Discussion and Materials and methods sections). In this work, we have preferred to be relatively conservative by including proteins for which several lines of evidence support their homology to insect chemosensory receptors (i.e., from amino acid sequence similarity and predicted secondary and tertiary structural analyses). Although finer scale details of the evolution of this superfamily will likely emerge in the future, we believe the current data support the central conclusion of our work (i.e., the origin of the insect chemosensory receptor superfamily in the last common eukaryotic ancestor).

2) One complication of the limited number of sequences from unicellular eukaryotes is that the structure prediction relies on multiple sequence alignments largely built from GRs. This was not obvious from the Materials and methods. I only know this because I took one of their putative GRL sequences and submitted it to the trRosetta website and three hours later got the same structure prediction as in Figure 3 and the MSA the trRosetta algorithm used for prediction. While the algorithm for trRosetta has been previously published, for a general audience the paper would benefit from more detail about how it was used-both what was required as input (apparently just a single sequence plugged into the trRosetta website) and how to evaluate the output, beyond physical inspection. For example, in Figure 3C the assignment of proteins to their groups seems like an arbitrary delimitation without further explanation, since the score/distances between proteins are marginally different. Only in the figure legend it states: TM-scores of 0.0-0.30 indicate random structural similarity TM-scores of 0.5-1.00 indicate that the two proteins adopt generally the same fold. The authors thus suggest a TM score of 0.27 as meaning Orco and HsapAdipoR1 are unrelated but a score of 0.53 as being indicative that VbraGRL2 and AthaAT3G20300 are part of the same structural family, but provide insufficient information to the reader to understand whether this is a stringent cutoff or not.

The reviewer raises a number of important points, which we address individually below:

- structure predictions from multiple sequence alignments (MSAs) largely built from GRs: this reviewer reiterates this issue in the comment below, where we provide a full response.

- use of trRosetta algorithm: we provide additional use and evaluation of this server in the Materials and methods. In brief, the user interface is indeed extremely simple, requiring just entry of an individual sequence, as MSAs are built automatically.

- evaluation of trRosetta output: we describe the pertinent information in Supplementary file 7 and the associated legend. The key parameter to judge the quality of the top model from trRosetta is the “estimated TM-score”. As described in the cited trRosetta paper (Yang et al., 2020), this is calculated based upon a combination of the probability of the predicted top distances and the average pairwise TM-score between the top ten models under no restraints. In test proteins of known structure, the estimated TM-score had a high correlation with the true TM-score (which is calculated based upon comparison of the model and the experimentally-determined protein structure). For proteins for which no experimental information is available (such as GRLs or DUF3537 proteins), the estimated TM-score provides a measure of predicted resemblance of the model to the real structure. While there is no firm cut-off, scores <0.17 are likely to reflect spurious protein structural models (Yang et al., 2020). In our work, as shown in Supplementary file 7, sequences that yielded MSAs with very few proteins gave commensurately extremely low estimated TM-scores (typically around 0.1) these models were not examined further. All trRosetta output files are provided in the Dryad repository (doi:10.5061/dryad.s7h44j15f).

- evaluation of trRosetta models by structure comparisons with Dali and TM-align: for all trRosetta models that had an estimated TM-score >0.17, we assessed whether these had similarity to proteins of known structure in the Protein Data Bank using the Dali server. In all but two cases (TtraGRL4 and TtraGRL5), the ORCO cryo-EM structure was identified as the top hit, usually with a Dali Z-score (a measure of structural similarity) that is substantially higher that the next most similar protein fold. The results of these Dali searches are provided inside the corresponding subfolder of the trRosetta output in the Dryad repository. The consistent retrieval of ORCO by other models of animal GRs/GRLs, protist GRLs and plant DUF3537 proteins is striking and argues these proteins all adopt a similar fold. Regarding the two exceptions: the best TtraGRL4 and TtraGRL5 models identified Diablo (a HECT-type E3 ligase) and Plectin (a cytoskeletal protein) as top hits, respectively. Although these GRL models have estimated TM scores >0.17 and the Dali Z-scores are indicative of “significant similarity” (>2 (Holm et al., 2010)), these are clearly spurious matches. We note that in both cases the number of sequences used in the MSA is very low (<230) compared to models of TtraGRL1-3 (>1200).

We further assessed structural similarity by pairwise comparisons of selected proteins (with the highest estimated TM-score) together with a negative control (AdipoR1, which has the same membrane topology as the OR/GR/GRL/DUF3537 superfamily). For Dali pairwise comparisons (top-right of Figure 3C), the Z-score is substantially higher for all comparisons within the OR/GR/GRL/DUF3537 set than with AdipoR1. Similarly, for TM-align pairwise comparisons, the OR/GR/GRL/DUF3537 comparisons all fall within the range of 0.5-1, which indicates – as described in Zhang and Skolnick NAR 2005 – that the proteins are expected to adopt the same fold (1 would be a perfect match). By contrast, comparisons with AdipoR1 fall within the range (0-0.3) indicative of spurious similarity. We tried to add these numerical ranges on the figure itself but found that it cluttered the panel and would prefer to have the full description of their meaning in the legend.

We emphasize that the cut-offs of trRosetta, Dali and TM-align are defined by the developers of these algorithms based upon analysis of many test cases of proteins of known structure. To our knowledge, these cut-offs are not stringent, and must be viewed in the context of the proteins being analyzed, as many factors could impact these scores (e.g., quality of model, quality of experimentally-determined structure, primary sequence similarity target and query, domain organization of protein (in our experience individual proteins with large inserts in the loops were often problematic)). In our work, the tertiary structural similarity provides additional support for the homology between various proteins that were initially identified based upon primary and secondary structural similarities.

To strengthen our claims, we now provide analyses of the same set of query sequences with an independent von Anfang an protein folding algorithm, RaptorX, which uses distance-based protein folding driven by deep learning (Kallberg et al., 2012). While this algorithm failed to build sufficiently large MSAs for slightly more queries than trRosetta, several sequences from both protists and plants successfully yielded models that, via Dali searches, retrieved the ORCO structure as the top hit. The results of this new analysis are summarized in Supplementary file 7, and the complete output files from RaptorX, together with the results of the subsequent Dali searches, are provided in the Dryad repository (doi:10.5061/dryad.s7h44j15f).

We hope to have explained the logic of software use, our steps for quality control at each stage and the availability of the source data to allow readers to view and reproduce our results. As we are users, not testers, of the software packages, we felt it out-of-place to have a detailed description of these published algorithms in our work, but we have added additional technical details in this revision to enable a reader to appreciate our procedures for assessing the structure prediction results.

3) One important caveat that the authors should discuss and address is that given that the de novo structure prediction relies heavily on GR sequence covariation, is there any possibility that tertiary structural similarity is imposed onto these more distant members of the GRL family? Ideally the de novo structure prediction would be truly independent and based on similar numbers of GRL sequences from single-celled eukaryotes but this does not seem possible.

This is a very good point: at present, there are indeed insufficient numbers of GRL sequences from unicellular eukaryotes alone to be able to analyze amino acid co-evolution and use this information for modelling. The current models therefore necessarily depend in part upon covariation within the larger animal GR/GRL family. At the level of the global fold, this is only problematic if the query sequence is not homologous to the sequences in the alignment. We believe that the primary and secondary sequence analyses and phylogenetic analysis (in Figure 1, Figure 1—figure supplement 1, Figure 2) do support such homology, notably for the protist GRLs for which we have obtained structural models.

Importantly, the models of the plant proteins used information extracted from alignments of only other DUF3537 family members, because these are more divergent from the animal sequences than those of unicellular eukaryotes. It is therefore striking that the plant structural models are also similar to ORCO, and infer that the entire family is likely to share the same global fold. We briefly mentioned these issues in our original manuscript but have now expanded our comments on these points in the text.

4) The central advance of this study over past work from the Benton lab (Benton, 2015 Hopf et al., 2015) is the dramatic improvement in structure prediction algorithms, which provide tantalizing information about structural similarity (barring the caveat in the point directly above.) I appreciate that the authors don't overstate their claims, suggesting that these GRL proteins may not serve the same function in different organisms but likely form ligand gated channels. To really move into novel territory, I wish the authors could probe the functional or biochemical properties of these ancient GRLs a bit further. For example, for these proteins to serve as ion channels likely requires a multimeric organization. Native gels could biochemically demonstrate this, providing powerful additional evidence that these are part of the same family. Alternatively, could sequence covariation provide evidence for this (e.g. Hopf, 2014). Either way, it would be valuable to discuss this additional feature that does not immediately fall out of the trRosetta predictions.

As described above in response to the general comments, we feel it is premature to begin to assess biochemical properties of these proteins without first some hint of their in vivo role, which in turn requires genetic analysis. It is currently hard also to extract further insights from patterns of amino acid covariation for the protist and fungal GRLs alone because there are too few sequences available.

We have made some preliminary analysis of the plant proteins, by overlaying the degree of amino acid conservation on the predicted structure but this was not particular informative: in contrast to the animal proteins, the plant family has quite high amino acid identity throughout its length and this analysis did not highlight particularly conserved regions (in 3D space) that might indicate functional domains. Moreover, in contrast to ORs, for which there is good (albeit mostly indirect) evidence of heteromeric complex assembly between tuning ORs and ORCOs, we currently do not know if and how DUF3537 proteins may form multimeric complexes. As it is not trivial to distinguish contacts that may be involved in monomer folding versus those involved in potential intersubunit contacts (as described in Hopf et al., eLife 2014), we feel it is premature to attempt to draw conclusions about complex formation from sequence analysis alone at this stage. If such intersubunit interactions exist, we suspect they are slightly different from those reported in ORCO. The cryo-EM ORCO structure revealed that the major interaction interface was within cytoplasmic domain (the “anchor” domain (Butterwick et al., 2018)) comprising cytosolic regions of TM4, TM5, TM6 and TM7a notably, all of the plant proteins have a cytoplasmic insertion of ∼50 amino acids in this region in IC3 (between TM6 + TM7a).

Reviewer #4:

Benton et al. is a well written study on the evolution of insect chemosensory receptors that uses bioinformatics-based approaches to identify putative GRL homologs in several species of unicellular eukaryotes. Both sequence and structure-based approaches are utilized to buttress the authors arguments that fungal and protista GRL homologs are an evolutionary link to DUF3537 proteins they have previously identified in plants and algae thereby extending this evolutionary relationship to "the last common eukaryotic ancestor"

While I am generally supportive of the authors rationale and recognize they have been careful to appropriately qualify their hypothesis throughout this work, I am somewhat disinclined to place a high degree of definitive value on the ab initio structural predictions which underscores much of this analysis. Even so, and despite the fact these evolutionary relationships between animal and plant GRLs are unlikely to ever be definitively tested, this hypothesis seems to me to be reasonable. That said, I remain underwhelmed by their significance.


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