Ученые раскрыли эволюцию паразитических растений

Паразитические растения — это уникальные организмы с особой физиологией, экологией и эволюционной историей, происхождение которых до сих пор мало изучено. Считается, что некоторые автотрофы эволюционировали в факультативные полупаразиты, получающие от хозяина лишь воду и минеральные вещества. Часть из них затем стала облигатными паразитами, полностью зависящими от хозяина для завершения жизненного цикла. Постепенно из облигатных паразитов развились голопаразиты, полностью утратившие способность к фотосинтезу.

У покрытосеменных растений паразитизм независимо возникал 12 или 13 раз. В восьми линиях паразитических растений полупаразитические виды вымерли, оставив только голопаразитов. Однако семейство Orobanchaceae (Яснотковые) — крупнейшее семейство паразитических растений — включает как автотрофные, так и паразитические виды со всеми степенями паразитизма. Это делает его идеальной моделью для изучения происхождения и эволюции растительного паразитизма.

Исследовательская группа под руководством профессора У Цзяньцяна из Куньминского института ботаники Китайской академии наук (KIB/CAS) секвенировала и аннотировала референсные геномы представителей Orobanchaceae: автотрофа Lindenbergia luchensis и двух экономически значимых голопаразитов-вредителей Orobanche cumana и Phelipanche aegyptiaca. Результаты опубликованы в журнале Molecular Plant.

Проведя крупнейший на сегодняшний день сравнительный геномный анализ паразитических растений, ученые выявили эволюцию геномов в семействе Orobanchaceae.

Ключевые выводы исследования

  • Размер генома. В отличие от повилики (Cuscuta), паразитические Orobanchaceae не претерпели резкого сокращения размера генома и числа генов. И полупаразитические, и голопаразитические виды этого семейства имеют более крупные геномы и больше генов, чем автотрофный Lindenbergia luchensis.

  • Гаусторий и экспансия генов. Гаусторий — уникальный орган паразитических растений для связи с хозяином. Анализ транскриптома гаустория показал, что гены, высокоэкспрессируемые в этом органе, претерпели значительную экспансию. Выделено два периода экспансии генов:

    1. Вызванный событием палеополиплоидии (βL событие, ~73.48 млн лет назад, до возникновения паразитизма).
    2. Вызванный независимой дупликацией после дивергенции каждого паразитического растения. Сравнение с нейтральной моделью показало, что βL событие сыграло важную роль в происхождении гаустория, хотя произошло на ~35 млн лет раньше.

  • Потеря генов. Анализ эволюции генных семейств выявил одновременное сокращение и расширение их состава. Потеря генов усиливалась с ростом степени паразитизма:

    • Факультативные полупаразиты: потеря ~2–3% генов.
    • Облигатные полупаразиты: потеря ~6–7% генов.
    • Голопаразиты: потеря ~13–15% генов. Более половины генов, утраченных Orobanchaceae, совпадают с утраченными у повилики, имеющей совершенно иное происхождение. Большинство из них связаны с фотосинтезом и функцией хлоропластов.

  • Различия в потере генов связаны с формой паразитизма:

    • Корневые паразиты (Orobanchaceae) теряли больше генов, связанных с фотосинтезом и световой сигнализацией.
    • Стеблевые паразиты (повилика) теряли больше генов, связанных с функцией корней.

Трехфазная модель эволюции

Результаты исследования подтверждают трехфазную модель эволюции генома паразитических растений:

  1. Развитие гаустория для физической связи с растением-хозяином.
  2. После появления гаустория — потеря генов, ставших ненужными.
  3. Адаптация паразитов к своим специфическим хозяевам.
2022-07-26