Геном древовидного папоротника раскрывает новые детали эволюции

Наземные растения произошли от водорослей 470 миллионов лет назад. В ходе эволюции папоротники претерпели ряд изменений, позволивших им выжить на суше. Впервые исследователи охарактеризовали организацию генома древовидных папоротников, что проливает свет на их эволюцию.

Ключевым событием стало появление сосудистой системы для транспорта воды, питательных веществ и продуктов фотосинтеза. Она состоит из двух тканей: ксилемы и флоэмы. Клетки ксилемы укреплены лигнином — структурным материалом, придающим жёсткость. Учёные стремились понять, как эта система эволюционировала у папоротников и как образуется лигнин.

"Папоротники — первые сосудистые растения, а одревесневшие клеточные стенки были ключевым новшеством в их эволюции", — отметил профессор Рэй Минг.

Исследователи секвенировали геном древовидного папоротника Alsophila spinulosa (летающий папоротник-паук-обезьяна). Они обнаружили, что два гена, связанных с сосудистой системой, были высокоактивны в ксилеме, что указывает на их возможную ключевую роль в формировании специфичных для ксилемы клеток.

С помощью микроскопии и биохимических методов учёные измерили содержание лигнина и вторичных метаболитов. Оказалось, что лигнин составляет 40% клеточной стенки стебля (для сравнения: в древесине обычно около 25%). Также был открыт новый вторичный метаболит, в основном производимый в ксилеме, — алсофилин.

"Это новое соединение, вероятно, заполняет полости нефункциональных трахеидных клеток. Мы также идентифицировали гены, участвующие в его биосинтезе", — пояснил Минг.

Для понимания эволюции папоротников геном A. spinulosa сравнили с образцами из девяти локаций в Китае. Неожиданно было выявлено шесть различных популяций с геномными различиями. Реконструкция демографической истории показала два периода резкого сокращения численности этих видов: 35,6–34,5 млн лет назад и 2,5–0,7 млн лет назад.

"Анализ геномов и состава лигнина у большего числа папоротников поможет понять его роль у ранних сосудистых растений. В будущем мы планируем увеличить число локаций и размер выборки для геномного анализа", — заключил Минг.

Биохимический анализ выполнен совместно с группой Цюаньцзы Ли из Государственной ключевой лаборатории генетики и селекции деревьев в Пекине.