Папоротники позаимствовали гены для процветания в условиях слабого освещения
С появлением цветковых растений как конкурентов во времена динозавров древняя линия папоротников могла прийти в упадок. Вместо этого папоротники диверсифицировались и процветали под новым пологом, используя загадочный ген, который помог им адаптироваться к условиям слабого освещения.
Команда учёных из Университета Дьюка определила любопытное происхождение этого гена и установила, что он был передан папоротникам от группы неприметных мохоподобных растений — антоцеротовых (роголистников). Результаты опубликованы 14 апреля в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Исследователи давно подозревали, что ген неохром сыграл роль в эволюции папоротников. Неохром — это гибрид двух других растительных генов, кодирующих фоторецепторные белки, чувствительные к синему и красному свету.
«Неохром — это "химерный" ген», — сказал Фэй-Вэй Ли, ведущий автор и аспирант биологического факультета Университета Дьюка. Он производит фоторецептор, чувствительный как к синему, так и к красному свету, что даёт папоротникам уникальное преимущество в лесах, затенённых цветковыми растениями. «Большинство растений чувствуют и растут в сторону синего света, но под пологом в отфильтрованном спектре больше красного света, чем синего. Неохром помог папоротникам лучше "видеть"».
Происхождение гена оставалось неясным. Ли исследовал его эволюцию, систематически изучая геномы растений из Гербария Дьюка и проекта 1000 Plants Initiative.
Неохром обнаружился в неожиданном месте: в геномах антоцеротовых — влаголюбивой группы растений, родственных мхам.
Три сценария могли объяснить, как ген оказался общим для папоротников и антоцеротовых: 1) общий предок, имевший ген; 2) независимая эволюция гена в обеих группах; 3) процесс горизонтального переноса генов, который перенёс неохром от одной группы к другой.
Чтобы разобраться, команда изучила не только эволюционные взаимоотношения наземных растений и водорослей, но и родство всех их светочувствительных генов.
Папоротники и антоцеротовые разошлись в эволюции 400 миллионов лет назад. Если бы неохром был у общего предка, он был бы передан и многим другим семействам растений. Но тогда его пришлось бы потерять всем, кроме папоротников, так как у семенных растений его больше нет. Анализ также не поддержал идею независимой эволюции такого необычного гена в обеих группах.
Учёные нашли убедительные доказательства того, что версия неохрома у папоротников произошла от версии антоцеротовых. Изучив изменения в последовательностях различных вариантов гена, они построили генеалогическое древо светочувствительных генов, в котором неохром папоротников аккуратно «вложился» в линию антоцеротовых. Анализ также показал, что версии генов разделились около 179 миллионов лет назад.
Только один механизм мог объяснить, как ген перескочил от антоцеротовых к папоротникам так долго после расхождения самих линий: горизонтальный перенос генов. Но как это происходит у растений, исследователи только начинают изучать.
«Мы наблюдаем всё больше случаев горизонтального переноса генов у растений, но нет определённого ответа, что его опосредует», — сказал Ли.
В микробном мире бактерии, грибы и вирусы могут опосредовать горизонтальный перенос генов, когда фрагменты генетического материала смешиваются в разных организмах. Это хаотичный процесс, но он может иметь мощные эволюционные последствия — например, так многие бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам.
«Должен быть клеточный контакт», — добавил Ли. Уникальный жизненный цикл папоротников может способствовать такому переносу. Гаметофиты — форма папоротника, производящая половые клетки, — это «распутные» маленькие растения.
«У них нет защитного слоя сверху, нет кутикулы, — сказала Кэтлин Прайер, специалист по папоротникам и профессор биологии в Университете Дьюка. — Гаметофит также представляет собой очень компактную структуру, и половые органы находятся прямо там, с большим количеством контактов с другими растениями, которые все конкурируют за свет и пространство».
Лёгкий доступ к сперматозоидам и яйцеклеткам папоротника мог означать, что чужеродный генетический материал — например, ген неохром — мог легко передаться следующему поколению.
«Приобретение неохрома антоцеротовых, по-видимому, ответственно за расширение линии папоротников в тени покрытосеменных (цветковых растений)», — сказал Дж. Кларк Лагариас, профессор биохимии Калифорнийского университета в Дэвисе, не участвовавший в исследовании.
Фэй-Вэй Ли продолжит изучать историю неохрома для своей диссертации.