Life under the snow: A year-round transcriptome analysis of Antarctic mosses in natural habitats provides insight into the molecular adaptation of plants under extreme environment

Abstract

이끼는 생태계의 중요한 구성요소로, 사막부터 극지까지 다양한 서식지에서 놀라운 적응력을 보인다. 남극낫깃털이끼 Sanionia uncinata(Hedw.) Loeske는 남극식생의 우점 이끼종으로, 생애 기간동안 성장과 휴면을 반복하며 극한 환경 조건에서 살아남았다. 이 연구는 남극 환경의 계절성에 대처하기 위한 남극낫깃털이끼의 유전 제어와 분자 메커니즘을 탐구하였다. 본 연구팀은 2015년 2월부터 2016년 1월까지 매월 남극 킹조지 섬에서 수집한 남극낫깃털이끼의 계절별 전사체 역학을 분석한 결과, 남극 여름에는 식물 성장과 관련된 유전자가 주로 상향 조절되고, 겨울에서 여름으로의 전환 기간에는 단백질 합성과 세포 주기와 관련된 유전자가 높은 발현을 보이며, 겨울에는 세포 스트레스와 앱시스산 호르몬 신호 전달과 관련된 유전자가 높은 발현을 보임을 확인하였다. 더불어, 남극 여름과 겨울 온도의 제어된 환경 시뮬레이션 데이터와 남극 현장 전사체 데이터를 비교하여 유전자 발현 양상의 유사성을 확인하였다. 본 연구를 통해 극한 환경에 대한 이끼의 적응을 이해하기 위한 계절적 유전자 조절 모델을 제시하였으며, 이는 기후 변동에 대한 유전적 반응을 예측하고, 남극의 식물의 지구 기후 변화에 대한 적응 과정을 이해하는데 유용한 자료로 사용될 것이다.

Mosses are vital components of ecosystems, exhibiting remarkable adaptabilityacross diverse habitats from deserts to polar ice caps.Sanionia uncinata(Hedw.)Loeske, a dominant Antarctic moss survives extreme environmental conditionthrough perennial lifecycles involving growth and dormancy alternation. This studyexplores genetic controls and molecular mechanisms enablingS. uncinatato copewith seasonality of the Antarctic environment. We analysed the seasonaltranscriptome dynamics ofS. uncinatacollected monthly from February 2015 toJanuary 2016 in King George Island, Antarctica. Findings indicate that genesinvolved in plant growth were predominantly upregulated in Antarctic summer, whilethose associated with protein synthesis and cell cycle showed marked expressionduring the winter­to­summer transition. Genes implicated in cellular stress andabscisic acid signalling were highly expressed in winter. Further, validation included acomparison of the Antarctic field transcriptome data with controlled environmentsimulation of Antarctic summer and winter temperatures, which revealed consistentgene expression patterns in both datasets. This proposes a seasonal gene regulatorymodel ofS. uncinateto understand moss adaptation to extreme environments.Additionally, this data set is a valuable resource for predicting genetic responses toclimatic fluctuations, enhancing our knowledge of Antarctic flora's resilience toglobal climate change.