Два критичних гена були ідентифіковані для рослин, які колонізували Землю 470 мільйонів років тому

Дослідники пролили нове світло на те, як зародилося життя рослин на Землі

дослідники з Копенгагенський університет Вона пролила нове світло на те, як зародилося рослинне життя на поверхні нашої планети. Зокрема, вони показали, що два гени необхідні наземним рослинам, щоб захистити себе від нападу грибів – захисного механізму, який сягає 470 мільйонів років. Цілком імовірно, що ці захисти проклали шлях для всього наземного рослинного світу.

Мадс Еггерт Нільсен, біолог з Копенгагенського університету.

Рослини еволюціонували від водних водоростей до здатності виживати на Землі майже півмільярда років тому, заклавши основу життя на Землі. Однією з перешкод, яка ускладнила цю драматичну трансформацію, були гриби:

Вважається, що 100 мільйонів років тому гриби повзли по поверхні Землі в пошуках їжі, найімовірніше, знайдені в мертвих водоростях, винесених з моря. Отже, якщо ви, як нова рослина, збираєтеся закріпитися на землі, і перше, з чим ви стикаєтесь, — це грибок, який вас з’їдає, вам потрібен якийсь захисний механізм», — каже Мадс Еггерт Нільсен, біолог із Кафедра наук про рослини та навколишнє середовище Копенгагенського університету.

За словами Мадса Еггерта Нільсена та колег-дослідників з Департаменту наук про рослинність та навколишнє середовище та Університету Париж-Склей, ядро ​​цього захисного механізму можна звузити до двох генів, PEN1 і SYP122. Разом вони допомагають утворити в рослинах компонент, який запобігає вторгненню грибів і грибоподібних організмів.

“Ми виявили, що якщо ми знищимо ці два гени в нашій моделі Arabidopsis, ми відкриємо двері для проникнення патогенних грибів. Ми виявили, що вони необхідні для утворення цієї клітинної стінки, яка захищає від грибків. Цікаво, що Схоже, це універсальний захисний механізм, який можна знайти у всіх наземних рослин», – говорить Мадс Еггерт Нільсен, старший автор дослідження, опублікованого в журналі Science. eLife.

Я виріс на фабриці, якій 470 мільйонів років

Дослідницька група перевірила ту саму функцію в печіночниці, прямому нащадку однієї з перших наземних рослин на Землі. Взявши два відповідних гена в печіночниці та вставивши їх у кресс, дослідники дослідили, чи можуть вони визначити той самий ефект. Відповідь була так.

Експерименти з моделлю Arabidopsis Авторство: Мадс Еггерт Нільсен

“Хоча дві родини рослин, до яких належали арабідопсис і печіночниця, еволюціонували в різних напрямках 450 мільйонів років тому, вони продовжували спільні генетичні функції. Ми вважаємо, що це сімейство генів виникло з унікальною метою управління цим захисним механізмом, і тому було Одна з основ рослин, щоб утвердитися на землі», – каже Мадс Еггерт Нільсен.

Співіснування рослин і грибів

Хоча гриби були перешкодою для рослин на шляху їх переходу від морських водоростей до наземних рослин, вони також були необхідною умовою. Мадс Еггерт Нільсен пояснює, що як тільки рослини змогли пережити атаки грибів, які прагнули з’їсти їх на Землі, наступна проблема, з якою вони зіткнулися, – це знайти поживні речовини:

Рослини у водному середовищі мають легкий доступ до розчинених поживних речовин, таких як фосфор і азот. Але 500 мільйонів років тому ґрунту, яким ми його знаємо сьогодні, не існувало – лише скелі. Поживні речовини, пов’язані зі скелями, рослинам надзвичайно важко отримати. Але не для грибів. З іншого боку, гриби не можуть виробляти вуглеводи – тому вони споживають рослини. Вважається, що саме тут виникли симбіотичні відносини між рослинами і грибами, які потім стали основою для вибуху життя наземних рослин у цей період».

Захисні структури, які утворюються в рослині, не вбивають рослину або грибок, вони просто запобігають проникненню грибка.

“Оскільки гриби можуть лише частково проникнути в рослину, ми вважаємо, що настає переломний момент, коли і рослині, і грибу є що виграти. Тому було корисно підтримувати відносини такими, як є. Теорія, що рослини приручили гриби для колонізації земля Не наша, але ми забезпечуємо фураж, який підтримує цю ідею», – каже Мадс Еггерт Нільсен.

Може застосовуватися в сільському господарстві

Нові відкриття додають важливу частину загадки еволюційної історії рослин. Що ще важливіше, їх можна використовувати для підвищення стійкості посівів до грибкових атак, що є великою проблемою для фермерів.

«Якщо всі рослини захищаються однаково, це має означати, що мікроорганізми, здатні викликати хвороби, такі як борошниста роса, жовта іржа та гниль картоплі, знайшли спосіб проникнути, зупинити або уникнути захисту своїх відповідних рослин-господарів. Ми хочу знати. Як вони це роблять. Потім ми спробуємо перенести захисні компоненти від стійких рослин до тих рослин, які хворіють, і таким чином досягти стійкості”, – говорить Мадс Еггерт Нільсен.

Мадс Еггерт Нільсен бере участь у дослідницькому проекті Департаменту ботанічних та екологічних наук під керівництвом Ганса Тордаля-Крістенсена та за підтримки Novo Nordisk Foundation, який зосереджується на підвищенні стійкості сільськогосподарських культур шляхом виявлення захисних механізмів у рослинах, які намагаються викликати хвороботворні мікроорганізми. адресувати. закрити.

Додаткові факти

Дослідники довгий час припускали, що гени PEN1 і SYP122 виконували особливу функцію щодо переходу рослин з їхньої водної фази як водоростей до наземних рослин, але не було конкретних доказів того, чи дійсно вони є передумовою для рослин. оборонні можливості.

Попередні дослідження показали, що внаслідок знищення гена PEN1 рослини втрачають здатність захищатися від борошнистої роси. Однак, коли близькоспоріднений ген, SYP122, знищено, нічого не відбувається. Результати нових досліджень показують, що два гени разом становлять важливий ключ у захисному механізмі рослини.

Посилання: «Структури рослин SYP12 забезпечують еволюційно збережений загальний імунітет до збудників нематод» Гектор М. Рубіато, Мінкі Лю, Річард Дж. О’Коннелл та Мадс Е. Нільсен, 4 лютого 2022 р., Доступно тут. eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.73487