Гены бактерий дали древним растениям черты для колонизации суши

Гены, перешедшие от микробов к зелёным водорослям сотни миллионов лет назад, могли стать движущей силой эволюции наземных растений, сообщают исследователи 1 марта в журнале Molecular Plant. Их анализ показывает, что сотни генов от бактерий, грибов и вирусов были интегрированы в растения, дав им желательные признаки для жизни на суше.

«Наше исследование меняет традиционный взгляд на эволюцию наземных растений», — говорит старший автор Цзиньлин Хуан, биолог из Университета Восточной Каролины.

Горизонтальный перенос генов (ГПГ) описывает перемещение генетического материала между организмами разных видов. Эти события обмена геномами распространены у бактерий и ответственны за быстрое распространение устойчивости к антибиотикам у этих прокариот. Однако роль ГПГ у сложных многоклеточных эукариот — организмов, таких как растения и животные, — остаётся спорной.

Традиционно учёные считали, что гены эукариот передаются только путём вертикального переноса — от родителей к потомству, а мутации могут приводить к появлению новых генов и признаков. Но Хуан и его коллеги, включая биолога Чунь-Пэн Сун из Хэнаньского университета, нашли в предыдущих исследованиях свидетельства того, что ГПГ у растений может быть обычным явлением.

Чтобы исследовать роль ГПГ в эволюции растений, учёные проанализировали геномы 31 растения. Они включили виды из всех четырёх групп растений: мхов, папоротников, деревьев, а также харофитов — группы зелёных водорослей, родственных современным наземным растениям. Они обнаружили, что почти 600 семейств генов у современных растений — гораздо больше, чем считалось ранее, — были перенесены от других организмов, особенно от микробов, таких как бактерии и грибы.

Кроме того, команда выявила два основных эпизода ГПГ: во время ранней эволюции харофитовых водорослей и при происхождении наземных растений, когда более сотни семейств генов перескочили от микробов к растениям.

«Наше открытие предполагает, что ГПГ играет значительную роль в эволюции наземных растений. По сравнению с мутациями при вертикальном переносе, ГПГ позволяет растениям быстро приобретать новые признаки, и некоторые из этих новых признаков могли помочь растениям адаптироваться к кардинально другой среде, например, при переходе из воды на сушу», — говорит Хуан.

Многие из приобретённых генов, как известно, выполняют важные биологические функции у растений. Например, гены позднего эмбриогенеза, пришедшие от бактерий, помогают растениям адаптироваться к более сухой среде. Ген транспортера аммония, приобретённый от грибов, помогает растениям поглощать азот из почвы для роста.

«Почти каждый испытывал слёзы при резке лука. Мы обнаружили, что ген в луке, ответственный за выработку слезоточивого вещества, на самом деле пришёл от бактерий. Это очень интересно, потому что мы все знаем об этой реакции, но до сих пор не осознавали, что это результат ГПГ», — отмечает Хуан. «Есть много других подобных примеров».

Далее команда планирует глубже изучить перенесённые гены у бриофитов — группы растений, включающей мхи. Многие чужеродные гены у этих растений имеют неизвестные функции, и будущие исследования могут помочь выявить желательные гены, которые однажды можно будет перенести в сельскохозяйственные культуры для повышения их приспособленности.