Загадки эволюции растений | Новосибирский государственный

НГУ
Загадки эволюции растений
25.08.2015
В Новосибирском государственном университете на кафедре информационной биологии факультета естественных наук недавно
открылась лаборатория компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики. В ней учёные занимаются анализом
данных, полученных при расшифровке последовательностей ДНК и РНК различных биологических образцов. Исследование такой
информации позволяет выявлять генетические программы, заложенные в ДНК организмов, а также их отклонения при патологиях
или изменениях окружающей среды.
О результатах одного из исследований на стыке ботаники и биоинформатики, а также загадках эволюции растений, которые
пытаются понять учёные, рассказал сотрудник лаборатории, кандидат биологических наук Дмитрий Афонников.
– Дмитрий Аркадьевич, в вашей статье в высокорейтинговом журнале Trends in Plant Science проводится сравнение и анализ
геномов водорослей, мхов и высших наземных растений. Расскажите, какая связь между ними и в чём отличие на генетическом
уровне?
– Современные наземные растения впечатляют разнообразием форм (от маленьких травинок до гигантских деревьев) и условий, в
которых они могут обитать: влажные джунгли, засушливые пустыни, холодные тундры. Это многообразие особенно примечательно в
сравнении с предками растений – водорослями. В настоящее время считается, что такая диверсификация растений обеспечивается целым
рядом инноваций, которые возникли сотни миллионов лет назад у древних предков наземных растений при их выходе из воды на сушу.
– Что здесь понимается под инновацией?
– Инновация в данном случае – это новая особенность, возникшая у организма не случайно, под влиянием новых условий, к которым
приспосабливалось растение. К таким инновациям относится способность к быстрому росту, формированию разнообразных органов и
тканей в зависимости от стадии развития растения и условий окружающей среды. (Именно это свойство позволило растениям успешно
заселить практически все пространство суши). Неудивительно, что метаболические процессы, которые лежат в основе таких инноваций, а
также вопросы их происхождения, вызывают большой интерес со стороны учёных. Часть таких метаболических систем были унаследованы
наземными растениями от водорослей и в процессе дальнейшей эволюции были значительно усовершенствованы. Однако происхождение
некоторых из инноваций до сих пор остается загадкой, поскольку не укладывается в рамки «стандартной» модели эволюции –
вертикального наследования от предков к потомкам.
Схема эволюции растений
– Какие инновации связаны с Вашим исследованием?
– К одной из таких загадочных систем относится биосинтез ауксина – одного из важнейших гормонов растений. Ауксин – гормон роста,
который синтезируется самими растениями и транспортируется в те ткани и органы, рост и развитие которых в данный момент наиболее
необходим (это и кончики корней, и основания листьев, сами стебли и цветки и прочее). Считается, что именно это свойство ауксина –
управление ростом ткани в нужное время и в нужном месте – обеспечивает большое разнообразие форм и стадий развития наземных
растений. Например, одно из замечательных свойств растений – фототропизм (изменение направления роста органов растений в
зависимости от освещенности) обусловлено биосинтезом и транспортом ауксина.
– То есть именно благодаря биосинтезу этого гормона роста, мы видим такое
многообразие наземных растений сегодня?
– Да, именно так. Причем, недавно было установлено, что ауксин у высших растений
синтезируется из триптофана (одна из аминокислот, формирующих белки) за счет двух
последовательных реакций. Эти реакции контролируются двумя ферментами триптофанаминотранферазой – TAA и флавин-зависимой монооксигеназой – YUCCA.
– Да, с ходу названия этих ферментов и не выговорить. Лучше любой скороговорки.
Как обстоят дела с такими ферментами у водорослей?
Иллюстрация проявления фоототропизма
– Дело в том, что родственных белков, выполняющих функции этих ферментов у водорослей,
обнаружено не было (в отличие, например, от ферментов, которые принимают участие в
синтезе триптофана). Это как раз означает, что водоросли не могут сами эффективно
синтезировать ауксин. Следовательно, можно предположить, что у наземных растений путь
биосинтеза ауксина возник не «по наследству» от водорослей, а попал в геном в результате
так называемого «горизонтального переноса генов» от организмов, которые предками
наземных растений не являются (грибы, протисты или бактерии).
– Каким же образом осуществляется «горизонтальный перенос генов»?
Представляется, что воздушно-капельным путем...
– Горизонтальный перенос генов – необычный механизм эволюции, при котором организмы, не состоящие «в родстве», могут обмениваться
ДНК. Он очень часто встречается у бактерий и редко у животных (например, у насекомых). У растений известные науке случаи
горизонтального переноса редки, однако в последнее время информация о них стала появляться все чаще. Как правило, это обмен генами
между растением и его паразитом или симбионтом, будь то бактерия, или грибы или другое растение.
– Это меняет представления об эволюции растений. А кто был «первооткрывателем» горизонтального переноса генов у растений,
применительно к Вашему исследованию?
– Впервые гипотеза о происхождении ферментов (TAA и YUCCA), контролирующих реакцию синтеза ауксина у наземных растений путем
горизонтального переноса от нерастительных организмов, была высказана год назад. Авторами гипотезы были китайские ученые –
Джипей Ю с коллегами, – опубликовавшие свою работу в журнале Trends in Plant Sciences в 2014 году. Однако спустя несколько месяцев
эта версия была подвергнута сомнению другой группой китайских исследователей – Я-Юном Вангом и его соавторами. В только что
секвенированном геноме многоклеточной харовой водоросли Klebsormidium flaccidum они обнаружили последовательности очень похожие
на последовательности ферментов, контролирующих синтез ауксина у наземных растений (TAA и YUCCA).
Харовая водоросль под микроскопом
– Вторая группа исследователей опровергла исследования первой и предположила, что биосинтез ауксина существовал и у
водорослей?
– Да, и если данные последней группы ученых оказывались верны, то у ферментов TAA и YUCCA наземных растений и многоклеточных
водорослей должны были быть общие предки. По крайней мере, родоночальники этих ферментов обязаны были существовать у общего
предка наземных растений и многоклеточных водорослей. Это подтверждало бы вертикальное наследование пути биосинтеза ауксина от
многоклеточных водорослей к современным наземным растениям.
– То есть подтверждало бы стандартный путь эволюции в случае с возникновением биосинтеза ауксина?
– Да, но все оказалось не так просто. Мы совместно с сотрудниками Института цитологии и генетики СО РАН Игорем Турнаевым и
Константином Гунбиным решили проверить результаты обеих работ, и оказалось, что одна из последовательностей в геноме
многоклеточной харовой водоросли, похожая на последовательность фермента TAA, контролирующего эффективный биосинтез ауксина,
скорее всего, таковой не является. Это было показано методами биоинформатики путем анализа доменного состава и реконструкции
трехмерной структуры белков. Кроме того, мы провели детальный филогенетический анализ, показавший, что эта последовательность
относится в большей степени к другому типу ферментов (аллиназам), участие которых в биосинтезе гормона роста в настоящее время не
зафиксировано.
– К каким выводам вы пришли и чем планируете заниматься дальше?
– Поскольку биосинтез ауксина требует обязательного наличия двух ферментов, полученные нами результаты демонстрируют, что,
вероятнее всего, у многоклеточных водорослей Klebsormidium flaccidum такой путь биосинтеза этого гормона роста, как у наземных
растений, отсутствует. Следовательно, наши результаты говорят в пользу гипотезы первой группы исследователей. Все-таки более
вероятно, что биосинтез ауксина был унаследован высшими растениями именно в результате необычного эволюционного механизма –
горизонтального переноса генов. Это событие произошло в момент выхода растений на сушу и позволило им распространиться по всей
планете в том многообразии, что мы видим сейчас. Ну, а ученым, изучающим эволюцию растений, остается и дальше думать над загадкой
происхождения пути биосинтеза ауксина. Возможно, ответ удастся получить, привлекая экспериментальные методы в дополнение к
биоинформатическим. Есть вероятность, что этому помогут большие проекты по секвенированию геномов растений, такие как 1KPlant, с
помощью которого были расшифрованы геномы тысячи растений.
– Вы будете продолжать работу по
исследованию генома водорослей в сравнении с
наземными растениями?
– Да, мы планируем анализировать последовательность генома дальше по второму белку-ферменту YUCCA, ответственному за биосинтез
ауксина, и по другим белкам тоже.
Надежда Дмитриева
Фото: 1 - Василия Коваля, 2-4 - из открытых
источников
Внешний вид харовых водорослей
Последняя редакция: 26.08.2015 13:07