У растений, колонизировавших Землю 470 миллионов лет назад, были идентифицированы два критически важных гена.

Ученые считают возможным, что два гена, PEN1 и SYP122, проложили путь для всех видов наземной растительной жизни.

Исследователи пролили новый свет на то, как зародилась растительная жизнь на Земле

исследователи из Копенгагенский университет Это пролило новый свет на то, как возникла растительная жизнь на поверхности нашей планеты. В частности, они показали, что два гена необходимы наземным растениям для защиты от нападения грибов — защитный механизм, который существует 470 миллионов лет. Вполне вероятно, что эти средства защиты проложили путь для всей наземной растительной жизни.

Мадс Эггерт Нильсен, биолог из Копенгагенского университета.

Растения эволюционировали от водных водорослей к способности выживать на Земле почти полмиллиарда лет назад, заложив основу для жизни на Земле. Одним из препятствий, которые сделали эту драматическую трансформацию такой сложной, были грибы:

Подсчитано, что 100 миллионов лет назад грибы ползали по поверхности Земли в поисках пищи, скорее всего, найденной в мертвых водорослях, выброшенных на берег морем. Так что, если вы, как новое растение, собираетесь обосноваться на Земле, и первое, с чем вы сталкиваетесь, — это грибок, который вас съедает, вам нужен какой-то защитный механизм», — говорит Мадс Эггерт Нильсен, биолог Департамента. наук о растениях и окружающей среде Копенгагенского университета.

По словам Мэдса Эггерта Нильсена и коллег-исследователей из Департамента наук о растениях и окружающей среде и Университета Париж-Склей, ядро ​​этого защитного механизма можно сузить до двух генов, PEN1 и SYP122. Вместе они помогают сформировать в растениях тип компонента, который предотвращает вторжение грибов и грибоподобных организмов.

«Мы обнаружили, что если мы уничтожим эти два гена в нашей модели арабидопсиса, мы откроем дверь для проникновения патогенных грибов. Мы обнаружили, что они необходимы для образования этой пробки, похожей на клеточную стенку, которая защищает от грибков. Интересно, что похоже, это универсальный защитный механизм, обнаруженный у всех наземных растений», — говорит Мэдс Эггерт Нильсен, старший автор исследования, которое было опубликовано в журнале Science. электронная жизнь.

Я вырос на фабрике возрастом 470 миллионов лет.

Исследовательская группа проверила ту же функцию у печеночника, прямого потомка одного из первых наземных растений на Земле. Взяв два совпадающих гена печеночника и вставив их в кресс-салат, исследователи проверили, могут ли они определить такой же эффект. Ответ был да.

Эксперименты с моделью арабидопсиса. Кредит: Мэдс Эггерт Нильсен.

«Хотя два семейства растений, к которым арабидопсис и печеночник эволюционировали в разных направлениях 450 миллионов лет назад, они продолжали разделять генетические функции. Мы считаем, что это семейство генов возникло с уникальной целью управления этим защитным механизмом, и, таким образом, оно было одним Кто основал растения, чтобы утвердиться на земле», — говорит Мадс Эггерт Нильсен.

Сосуществование растений и грибов

В то время как грибы были препятствием для растений в их переходе от морских водорослей к наземным растениям, они также были предпосылкой. Мэдс Эггерт Нильсен объясняет, что как только растения смогли пережить атаки грибов, стремящихся съесть их на Земле, следующей проблемой, с которой они столкнулись, стал поиск питательных веществ:

Растения в водной среде имеют легкий доступ к растворенным питательным веществам, таким как фосфор и азот. Но 500 миллионов лет назад почвы, какой мы ее знаем сегодня, не существовало — только камни. Питательные вещества, связанные с камнями, растениям чрезвычайно трудно получить. Но не для грибов. С другой стороны, грибы не могут производить углеводы, поэтому они потребляют растения. Именно здесь, как полагают, возникли симбиотические отношения между растениями и грибами, которые впоследствии стали основой для взрыва наземной растительной жизни в этот период».

Защитные структуры, образующиеся в растении, не убивают ни растение, ни грибок, они просто предотвращают проникновение грибка.

«Поскольку грибы могут проникнуть в растение только частично, мы считаем, что возникает переломный момент, когда и растение, и гриб могут что-то получить. Поэтому было полезно сохранить отношения такими, какие они есть. Теория о том, что растения приручили грибы для колонизации Земля не наша, но мы даем корм, который поддерживает эту идею», — говорит Мадс Эггерт Нильсен.

Может применяться в сельском хозяйстве

Новые результаты добавляют важную часть к загадке эволюционной истории растений. Что еще более важно, их можно использовать для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к грибковым атакам, что является большой проблемой для фермеров.

«Если все растения защищаются одинаково, это должно означать, что микроорганизмы, способные вызывать заболевания, такие как мучнистая роса, желтая ржавчина и картофельная гниль, нашли способ проникнуть, остановить или обойти защитные механизмы соответствующих растений-хозяев. хочу знать. Как они это делают. Затем мы попытаемся перенести защитные компоненты от устойчивых растений к тем растениям, которые заболевают, и таким образом добиться устойчивости», — говорит Мадс Эггерт Нильсен.

Мадс Эггерт Нильсен участвует в исследовательском проекте Департамента ботанических наук и наук об окружающей среде под руководством Ганса Тордал-Кристенсена и при поддержке фонда Novo Nordisk, который направлен на повышение устойчивости сельскохозяйственных культур путем выявления защитных механизмов в растениях, которые пытаются использовать болезнетворные микроорганизмы. адресовать. Закрыть.

Дополнительные факты

Исследователи давно предполагали, что гены PEN1 и SYP122 выполняют особую функцию в отношении перехода растений из водной фазы в виде водорослей в наземные растения, но не было никаких конкретных доказательств того, действительно ли они являются предпосылкой для растений. оборонительные возможности.

Предыдущие исследования показали, что при уничтожении гена PEN1 растения теряют способность защищаться от мучнистой росы. Однако при разрушении близкородственного гена SYP122 ничего не происходит. Новые результаты исследований показывают, что два гена вместе составляют важный ключ в защитном механизме растения.

Ссылка: «Структуры SYP12 растений опосредуют эволюционно сохраняющийся общий иммунитет к возбудителям нематод», Гектор М. Рубиато, Мингци Лю, Ричард Дж. О’Коннелл и Мэдс Э. Нильсен, 4 февраля 2022 г., доступно здесь. электронная жизнь.
DOI: 10.7554 / eLife.73487