Геномное исследование раскрывает адаптацию сосудистых растений к водной среде

Водные растения — это специализированные эволюционные группы, приспособленные к жизни в воде. Они играют ключевую роль как источник пищи и лекарств (например, корень лотоса и эвриала), промышленного сырья (например, тростник), а также в экологическом восстановлении. Хотя большинство водных линий независимо эволюционировали от наземных предков, геномные механизмы этой адаптации оставались малоизученными.

Чтобы восполнить этот пробел, исследовательская группа из Уханьского ботанического сада Китайской академии наук совместно с Китайским фармацевтическим университетом интегрировала полногеномные сборки 122 видов сосудистых растений с морфологическим анализом (включая анализ устьиц, сосудистых пучков и аэренхимы), экспериментами по затоплению и секвенированием транскриптома.

Исследование, опубликованное в Current Biology, выявляет конвергентную геномную динамику, лежащую в основе адаптации растений к водной среде.

Ключевые выводы о скорости эволюции

Учёные сравнили скорость эволюции генов у видов, представляющих разные жизненные формы: наземные растения, растения с плавающими или возвышающимися над водой листьями, пресноводные погружённые растения и морские травы.

Они обнаружили, что водные растения — особенно погружённые виды и морские травы — демонстрируют значительно более высокие скорости эволюции в своих ядерных, митохондриальных и хлоропластных генах. Эти скорости заметно выше, чем у их наземных родственников.

Это говорит о том, что водная среда не «замедляет» эволюцию; напротив, она может ускорять геномные изменения — либо из-за экологических ограничений (например, низкой освещённости, гипоксии, колебаний солёности), повышающих частоту мутаций, либо из-за эффектов малой популяции, способствующих генетическому дрейфу.

Экспансия генов и адаптивные признаки

Кроме того, исследование выявило обширные конвергентные экспансии семейств генов в различных линиях водных растений, что опровергает широко распространённое мнение о том, что водные растения адаптируются к воде в основном за счёт потери генов и упрощения генома.

Эти экспандированные гены тесно связаны с ключевыми адаптивными признаками, включая гомеостаз ионов железа, формирование аэренхимы, усиление фотосинтеза и осморегуляцию. Например, фактор транскрипции bHLH115, отвечающий за реакции на дефицит железа, значительно экспандирован у погружённых видов, что, вероятно, усиливает их способность адаптироваться к бедным железом водным средам.

Развитие устьиц и стратегии адаптации

Микроскопические наблюдения и контролируемые эксперименты также выявили заметные различия в развитии устьиц и формировании аэренхимы у различных водных растений. Например, погружённые растения обычно лишены устьиц или имеют редуцированные устьица на подводных листьях; однако некоторые виды могут быстро развивать устьица при воздействии воздуха, демонстрируя сильную фенотипическую пластичность.

Дальнейший анализ показал значительную положительную корреляцию между числом копий 13 ключевых генов развития устьиц и общей площадью устьиц на единицу площади листа.

Сравнивая вариации экспрессии генов в погружённых и воздушных условиях у 12 репрезентативных видов (включая наземные, плавающие/возвышающиеся и погружённые типы), команда обнаружила, что плавающие/возвышающиеся виды и наземные растения активируют определённый набор генов (например, связанных с синтезом этилена, толерантностью к гипоксии и формированием аэренхимы), чтобы «сопротивляться» или «избегать» стресса от затопления.

В отличие от этого, погружённые растения демонстрировали совершенно иную картину экспрессии: гены, связанные с развитием устьиц и синтезом клеточной стенки, значительно усиливались, когда листья подвергались воздействию воздуха, но эти пути подавлялись, когда растения росли под водой. Это указывает на то, что после длительной эволюции погружённые растения, возможно, перешли от стратегии стрессового ответа к состоянию полной адаптации.

Значение для продовольственной безопасности и изменения климата

Глобальное изменение климата вызывает более частые и серьёзные наводнения, что представляет серьёзную угрозу для продовольственной безопасности.

Расшифровывая геномные механизмы, позволяющие водным растениям процветать в воде, исследователи стремятся разработать стратегии для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к затоплению, что в конечном итоге обеспечит более стабильные поставки продовольствия в условиях продолжающихся климатических изменений.