Биологи обнаружили, что у омелы отсутствуют гены, найденные у всех других сложных организмов

Ученые из Университета Индианы обнаружили первый известный случай, когда растение или животное лишено нескольких ключевых генов, участвующих в производстве энергии в клетках.

Открытие было сделано при анализе паразитического растения Viscum scurruloideum — вида омелы. Его очевидная способность выживать и процветать без нескольких генов, вовлеченных в основной энергопроизводящий путь кислорододышащих организмов, может сделать его одним из самых необычных растений на Земле.

Результаты опубликованы в сегодняшнем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Эта потеря генов, скорее всего, соответствует потере целого дыхательного комплекса, — сказал Джефф Палмер, ведущий автор исследования. — Это то, о чем ранее не сообщалось ни для одного многоклеточного организма".

Гены, утраченные у V. scurruloideum, обычно находятся в митохондриальных геномах растений и животных. Митохондрии играют важную роль в общем метаболизме клеточных организмов, выступая в роли генераторов, производящих энергию для питания других функций клетки посредством дыхания.

Содержащиеся во всех эукариотических клетках, митохондрии обладают собственной ДНК из-за своей эволюционной истории как "порабощенной" бактерии, поглощенной миллиарды лет назад примитивным эукариотическим организмом.

Биологи рассматривают митохондриальные геномы (митогеномы) цветковых растений как "экстремальные и часто озадачивающие" из-за широкого диапазона размеров, структур и скоростей мутаций, сказал Палмер. Но ранее эта генетическая изменчивость никогда не включала потерю генов, участвующих в основной генетической функции митохондрий — дыхании.

Помимо потери этих генов, митогеном V. scurruloideum демонстрирует другие признаки дегенеративной эволюции, такие как миниатюризация и ускоренная скорость мутаций.

Эта странная "деэволюция" может быть связана со статусом омелы как облигатного паразита, что означает необходимость растения-хозяина для завершения ее жизненного цикла.

"Это растение выбрало уникальный общий эволюционный путь, предположительно связанный с его паразитическим образом жизни, — сказала Элизабет Скиппингтон, первый автор исследования. — Будь то причина или следствие, паразитизм, скорее всего, лежит в основе его чрезвычайно маленького митохондриального генома, который показывает явные признаки как быстрой, так и дегенеративной эволюции".

В частности, Скиппингтон отметила, что митогеном V. scurruloideum утратил все девять митохондриальных генов, кодирующих дыхательный Комплекс I — основной компонент главного энергопроизводящего пути у аэробных организмов. Тем не менее, потеря этого комплекса не оказала драматического влияния на способность растения производить энергию.

"Потеря этих генов крайне неожиданна, — сказала Скиппингтон. — Было изучено более 300 других цветковых растений, и Комплекс I присутствует в каждом виде. Предположительно, паразитический образ жизни V. scurruloideum позволил ему выживать и процветать независимо от отсутствия этих генов".

Хотя в редких случаях митохондриальные гены могут переноситься в ядро клетки, команда не нашла доказательств, что это произошло у V. scurruloideum. Для выявления точного механизма, с помощью которого вид компенсирует отсутствующие гены, потребуются дальнейшие исследования.

Ученые обнаружили беспрецедентное отсутствие Комплекса I у многоклеточного организма в рамках более крупного проекта по расширению числа паразитических растений, прошедших секвенирование митохондриального генома.

Предыдущие анализы митохондриальных геномов паразитических растений ограничивались Rafflesiaceae — небольшим семейством паразитов, известных самыми большими цветами в мире. Чтобы расширить знания, команда выбрала для секвенирования митохондриальные геномы Santalales, более известных как омелы. Это самый крупный отряд паразитических растений в мире, насчитывающий более 2000 видов.

V. scurruloideum — воздушный паразит, прикрепляющийся к стеблю растения-хозяина для получения питательных веществ. Его общий вид знаком всем, кто когда-либо стоял под омелой в праздничный сезон.

Несмотря на знакомую роль в рождественских традициях, Палмер отметил, что более широкое экологическое значение и распространенность омел по всему миру часто недооцениваются.

"Митогеном V. scurruloideum оказался неожиданной золотой жилой сюрпризов, устанавливая новые стандарты экстремальности размера генома, содержания генов, дивергенции белков и других биологических механизмов, — сказал он. — Мы ожидаем, что дальнейшее исследование этого семейства растений, а также других паразитических цветковых растений, предоставит еще более значимые идеи об эволюции и функции паразитизма у растений".