Исследование бриофитов раскрывает эволюцию генетических путей, управляющих ветвлением растений
Несосудистые бриофиты живут колониями, покрывающими почву и напоминающими крошечные леса. В настоящем лесу растения конкурируют за свет на разных ярусах полога. Если растение не получает достаточно солнечного света, оно прекращает боковое ветвление и вместо этого растет вертикально, чтобы достичь света.
Исследователи из Института молекулярной биологии растений Грегора Менделя (GMI) Австрийской академии наук обнаружили, что печеночник Marchantia polymorpha, тело которого принципиально отличается от тела сосудистых растений, также адаптирует свою архитектуру в ответ на затенение. Новые данные об эволюции генетических путей, управляющих ветвлением, опубликованы в Current Biology.
Растения воспринимают разницу между прямым солнечным светом и тенью через фитохромы — фоторецепторы, универсально присутствующие в царстве растений, от водорослей до бриофитов и цветковых растений.
«Мы давно знаем, что фитохромы сообщают сосудистым растениям, чтобы они прекратили расти вширь и вместо этого росли вертикально, чтобы избежать или перерасти затеняющего соседа», — говорит первый автор Сюзанна Штройбель. Новые ветви вдоль стебля образуются из латеральных меристем — генеративных центров стволовых клеток растений, способствующих боковому росту. «Эта реакция на тень требует, чтобы активность латеральных меристем была отключена».
Печеночники уменьшают ветвление в тени
Исследователи предположили, что печеночники, не имеющие сосудов и предположительно напоминающие самые ранние растения, колонизировавшие сушу, также имеют механизм адаптации своего ветвления к изменяющимся световым условиям. Как и сосудистые растения, они имеют меристемы и способны к ветвлению. Однако, в отличие от сосудистых растений, которые ветвятся латерально ниже верхушки, бриофиты ветвятся только на верхушке по механизму, называемому дихотомическим ветвлением.
Исследователи провели фенотипирование печеночников и обнаружили, что при полном белом свете плоское тело печеночника, также известное как таллом, ветвилось регулярно. «Однако в условиях имитации тени многие меристемы печеночника вдоль главной оси роста становились неактивными и не производили ветвей. Таким образом, таллом проявлял признаки реакции избегания тени», — говорит Штройбель. Поскольку печеночники также используют фитохромы, исследователи проанализировали мутации, затрагивающие гены фитохрома и связанных с ним белков. Они показали, что, как и у сосудистых наземных растений, путь передачи сигнала фитохрома направляет реакцию избегания тени у печеночников.
Независимая эволюция молекулярной регуляции?
Команда Долана искала дополнительные генетические регуляторы дихотомического ветвления и активности меристем у M. polymorpha. Изучив паттерны экспрессии генов при полном белом свете и в тени, они обнаружили, что фактор транскрипции MpSPL1 и специфичная для печеночников микроРНК (miRNA) оказывают антагонистическое влияние на функцию меристем: MpSPL1 необходим для перевода меристем в состояние покоя, тогда как специфичная miRNA активирует их.
Эти результаты частично контрастируют с известным молекулярным механизмом светорегулируемого бокового ветвления у Arabidopsis thaliana, наиболее изученной модели сосудистых растений. Хотя гены, контролирующие светорегулируемое ветвление у Arabidopsis, также принадлежат к семейству SPL и являются мишенями для miRNA, они эволюционно далеки от тех, что теперь идентифицированы у печеночника.
На основании этих результатов команда предполагает, что молекулярные механизмы, регулирующие ветвление, могли эволюционировать независимо у бриофитов и сосудистых растений. «В целом наши результаты демонстрируют, что частично консервативный механизм активности miRNA и генов SPL, регулируемой фитохромом, контролирует ветвление у совершенно разных семейств наземных растений с принципиально разными способами ветвления», — говорит руководитель группы GMI Лиам Долан, соответствующий автор исследования.