Ген возрастом 28 миллионов лет защищает современные растения от гусениц

Механизм, который растения используют для распознавания и реакции на распространенного вредителя — гусеницу — возник из единственного гена, эволюционировавшего в течение миллионов лет. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале eLife.

Исследование показывает, что некоторые растения, например, соя, со временем утратили этот защитный ген. Авторы предполагают, что селекция или генная инженерия для повторного внедрения этого гена могут защитить урожай от потерь.

Иммунный статус растения зависит от унаследованной им иммунной системы. У растений это означает наследование определенных типов рецепторов распознавания паттернов, которые могут распознавать специфические патогены и пептиды, происходящие от травоядных, и запускать соответствующий иммунный ответ.

«Наследование правильных типов рецепторов распознавания паттернов позволяет растениям распознавать угрозы и справляться с болезнями и вредителями, — объясняет ведущий автор Саймон Снук, постдокторант кафедры биологии Вашингтонского университета (США). — Хотя мы знаем множество молекул от вредителей, которые активируют иммунные ответы у растений, наши знания о том, как растения эволюционировали, чтобы чувствовать новые угрозы, ограничены».

Чтобы восполнить этот пробел, команда решила определить ключевые эволюционные события, позволившие растениям реагировать на гусениц. Было известно, что виды из группы бобовых — включая маш и коровий горох — уникальным образом способны реагировать на пептиды, вырабатываемые в ротовой полости гусениц, когда те поедают листья.

Ученые детально изучили геномы этой группы растений, чтобы выяснить, изменился ли за миллионы лет общий рецептор распознавания паттернов под названием Inceptin Receptor (INR), приобретя или утратив способность распознавать гусениц.

Они обнаружили, что единственный ген рецептора возрастом 28 миллионов лет идеально соответствует иммунному ответу растения на пептиды гусениц. Также выяснилось, что среди потомков древнейших предков растений, у которых впервые появился этот ген рецептора, несколько видов, неспособных реагировать на пептиды гусениц, утратили этот ген.

Чтобы понять, как этот древний ген приобрел способность распознавать новые пептиды современных патогенов, команда использовала метод реконструкции предковых последовательностей. Они объединили информацию от всех современных генов рецепторов, чтобы предсказать исходную последовательность возрастом 28 миллионов лет. Этот предковый рецептор мог реагировать на пептиды гусениц. Однако его немного более старая версия с 16 изменениями в последовательности рецептора — не могла.

Эта генетическая история вместе с компьютерными моделями, показывающими различия в структуре древнего и современного рецепторов, дает ключи к пониманию эволюции рецептора. Она предполагает, что более 32 миллионов лет назад произошла ключевая вставка нового гена в геном растения-предка, за которой последовала быстрая эволюция разнообразных форм нового рецептора. Одна из этих форм приобрела способность реагировать на пептиды гусениц, и эта новая способность теперь присутствует у десятков видов бобовых-потомков.

«Мы определили возникновение и вторичную утрату ключевого признака иммунитета в ходе эволюции растений», — заключает старший автор Адам Штайнбреннер, доцент кафедры биологии Вашингтонского университета.

«В будущем мы надеемся больше узнать о процессах на уровне генома, которые генерируют новое разнообразие рецепторов, и идентифицировать еще неизвестные иммунные рецепторы в группах растений. По мере появления все большего количества геномных данных такие подходы позволят выявить "потерянные" рецепторы — полезные признаки, которые стоит вернуть в растения для защиты сельскохозяйственных культур».