Паразитическое растение избегает эволюционной гонки вооружений, отключая гены растений-хозяев

Паразитическое растение повилика нашло способ обойти эволюционную гонку вооружений с растениями-хозяевами, у которых оно крадет питательные вещества. Это позволяет паразиту процветать на различных сельскохозяйственных культурах. Повилика, сельскохозяйственный вредитель, встречающийся на всех континентах, посылает генетический материал в своего хозяина, чтобы отключить гены защиты.

Согласно новому исследованию ученых из Университета Пенсильвании, повилика нацеливается на эволюционно консервативные гены хозяина и посылает множество слегка отличающихся версий своего генетического оружия для обеспечения эффективности. Эта стратегия, описанная в статье, опубликованной онлайн в журнале eLife 17 декабря 2019 года, ограничивает способность хозяина реагировать.

Вместо того чтобы производить собственную энергию посредством фотосинтеза, повилика обвивается вокруг растения-хозяина, используя специальные структуры для высасывания воды и питательных веществ. Она может паразитировать на различных видах, включая важные сельскохозяйственные культуры, такие как томаты, а ее плотная структура, похожая на лиану, может мешать работе уборочной техники. Исследовательская группа под руководством профессора биологии Майкла Акстелла ранее установила, что повилика посылает в хозяина микроРНК — короткие сегменты нуклеиновых кислот, последовательность которых соответствует сегменту гена хозяина. Связываясь с кодирующими белки матричными РНК хозяина, они предотвращают синтез белков.

«Если бы этот процесс был вреден для растения-хозяина, мы ожидали бы, что целевые гены хозяина со временем изменятся из-за естественного отбора или даже случайно, — сказал Акстелл. — Такой процесс часто приводит к тому, что мы называем эволюционной гонкой вооружений, когда хозяин и паразит поочередно немного меняют последовательность своих генов, чтобы усилить давление. Мы хотели выяснить, так ли это на самом деле».

Исследователи идентифицировали микроРНК, участвующие в этом межвидовом регулировании генов, у четырех разных видов повилики. Неожиданно микроРНК часто были уникальными не только для каждого вида, но и для каждого отдельного растения. Команда сгруппировала микроРНК, имеющие некоторое сходство последовательностей, примерно в 18 «суперсемейств» по три-пять микроРНК в каждом.

Затем ученые исследовали мишени этих суперсемейств у ряда видов-хозяев и обнаружили, что целевые гены высококонсервативны. Это означает, что они, как правило, очень похожи у разных видов и мало меняются со временем. Это часто характерно для генов, кодирующих важные белки, поскольку любые эволюционные изменения в этих генах могут нарушить их функцию.

«Атакуемые аминокислоты являются наиболее консервативными аминокислотами в белковой цепи, — сказал Нейтан Джонсон, аспирант по биологии растений и первый автор статьи. — Поэтому мы предполагаем, что эта последовательность не может измениться под действием естественного отбора, иначе белок сломается. Поскольку хозяин не может изменить свою последовательность без негативного влияния на собственную функцию, паразит полностью избегает гонки вооружений на генетическом уровне».

Исследователи обнаружили, что там, где существовала вариация внутри суперсемейства микроРНК, она идеально соответствовала вариации в целевых генах хозяина. Аминокислоты в белке кодируются набором из трех нуклеотидов, третий из которых часто можно изменить, не влияя на результирующую аминокислоту. Там, где наблюдались вариации в последовательности хозяина — и соответствующих микроРНК — они, как правило, происходили в этой третьей позиции.

«Похоже, повилика создает несколько итераций своей микроРНК, чтобы учесть естественную вариацию в целевых генах хозяина, — сказал Джонсон. — Эта стратегия «дробовика», вероятно, также помогает паразиту быть успешным против широкого спектра видов-хозяев».

Далее исследователи надеются изучить эволюционное происхождение этих микроРНК, а также клеточные и молекулярные механизмы их доставки от паразита к хозяину.

«МикроРНК в этих суперсемействах подверглись естественному отбору для нацеливания на эти консервативные участки, — сказал Акстелл. — Мы смотрим на уже заточенные ножи, но каково их происхождение? Были исследования межвидового регулирования генов с помощью малых РНК в прошлом, но это первые доказательства того, что эти процессы подвергались естественному отбору».