Ученые проследили эволюцию белка, необходимого для фотосинтеза, до первых наземных растений
Эволюционные биологи растений из Университета Торонто идентифицировали белок, который эволюционировал примерно 500 миллионов лет назад. Этот белок позволил растениям преобразовывать свет в энергию посредством фотосинтеза при переходе из водной среды на сушу.
Открытие предоставляет мишень для создания устойчивых гербицидов против паразитических растений и сорняков. Оно также может повысить продовольственную безопасность за счет увеличения эффективности фотосинтеза у сельскохозяйственных культур.
Используя анализ геномов и редактирование генов CRISPR, исследователи определили, что белок Shikimate kinase-like 1 (SKL1) присутствует у всех наземных растений, но отсутствует у других организмов. Они показали, что этот белок эволюционировал из фермента Shikimate kinase (SK) и играет важнейшую роль в формировании хлоропластов, необходимых для фотосинтеза.
"Один из фундаментальных вопросов нашего исследования: каковы были первоначальные события, которые способствовали переходу простых водных организмов на сушу?" — говорит Майкл Канарис, ведущий автор статьи, опубликованной в Molecular Biology and Evolution.
Роль SKL1 в биогенезе хлоропластов ранее была установлена для цветкового растения Arabidopsis. Однако биологическая функция SKL1 у ранних наземных растений не была известна.
Канарис проводил исследование вместе с профессором Динешем Кристендатом, чья работа сосредоточена на эволюции новых функций белков. Когда ошибки репликации ДНК приводят к появлению двух идентичных копий белка, одна копия может приобрести новые функции по мере адаптации организмов к изменяющейся среде в течение миллионов лет эволюции.
SKL1 у цветковых растений (возникших около 130 миллионов лет назад) является примером такой копии белка SK, получившей новую функцию. Предыдущие исследования Кристендата показали, что без SKL1 цветковые растения становятся карликовыми и альбиносами из-за дефектного развития хлоропластов.
Чтобы заглянуть еще дальше в эволюцию, исследователи с помощью CRISPR нарушили функцию SKL1 у печеночных мхов — одних из первых растений, колонизировавших сушу около 500 миллионов лет назад. Затем они ввели ген SKL1 из печеночного мха в альбиносное цветковое растение, лишенное своего SKL1. В результате у сеянцев вырос зеленый набор листьев с восстановленными хлоропластами.
Результат был настолько неожиданным, что эксперимент повторили несколько раз. Подтвердилось, что печеночные мхи с нарушенным SKL1 бледнеют и имеют задержку роста, как и цветковые растения без SKL1. Это говорит о том, что SKL1 выполняет ту же функцию в развитии хлоропластов у значительно более древнего растения.
"Мы с коллегами были поражены, потому что печеночные мхи — очень древний вид растений. Мы предполагали, что функция SKL1 у них будет сильно отличаться. Но она не только сохранилась за 500 миллионов лет эволюции растений, но и необходима для их существования на суше", — говорит Кристендат.
Анализ генетических последовательностей показал, что SKL1 есть у всех наземных растений (печеночных мхов, папоротников, мхов, цветковых), но отсутствует у предков современных растений, включая водоросли.
"Невозможность обнаружить SKL1 у организмов, существовавших до наземных растений, указывает на важную роль этого гена, совпавшую с появлением растений на суше", — отмечает Канарис.
По словам Кристендата, понимание роли SKL1 в фотосинтезе может как улучшить выращивание сельскохозяйственных культур, так и сделать этот белок более эффективной мишенью для новых поколений гербицидов. Метаболический путь с участием белка SK уже является мишенью большинства современных гербицидов.
"Некоторые домены белка SKL1 различаются у разных растений, поэтому, возможно, можно будет нацеливаться на SKL1 конкретных растений, чтобы обеспечить безопасность и устойчивость сельского хозяйства".