Эволюционные истоки симбиоза растений и бактерий
Симбиоз некоторых видов растений с азотфиксирующими клубеньковыми бактериями — одно из важнейших взаимовыгодных отношений в мире. Он определяет глобальную растительность и, не в последнюю очередь, глобальные циклы азота и углерода. Основы этого процесса, вероятно, были заложены в ходе всего одного эволюционного события около 100 миллионов лет назад. Это недавно обнаружила международная исследовательская группа, в которую вошли учёные из Института биогеохимии Макса Планка в Йене, Германия. Исследователи также выявили виды, имеющие генетическую предрасположенность к такому симбиозу, но так и не развившие его. Эти растения могут помочь в изучении симбиоза и в том, как его можно скрещиванием перенести на другие виды.
Анализ с помощью базы данных характеристик растений
Теперь ясно, что, по всей вероятности, весь процесс начался 100 миллионов лет назад с единичного эволюционного события. В результате одной или нескольких мутаций у растения развилась предрасположенность к симбиозу, которая затем различными способами изменялась и совершенствовалась. «Предрасположенность, по-видимому, не даёт растению ни явных преимуществ, ни недостатков, поскольку у одних видов она сохранилась, а у других быстро была утрачена», — поясняет результаты Йенс Каттеге из Института биогеохимии Макса Планка. Однако азотфиксирующий симбиоз развивался только при наличии предрасположенности.
Для анализа исследователи создали самую большую на сегодняшний день базу данных всех видов растений, способных к симбиозу с клубеньковыми бактериями. «Около трети данных взяты из нашей базы TRY, которая сейчас каталогизирует характеристики более 90 000 видов растений», — объясняет Йенс Каттеге. Учёные реконструировали эволюцию азотфиксирующего симбиоза, используя эти данные и филогенетическое дерево покрытосеменных растений. Для этого они применили различные математические модели, которые «прочёсывают» эволюцию в обратном направлении, начиная с сегодняшнего статус-кво.
Возникновение предрасположенности маловероятно
Модели показали, что предрасположенность явно возникла лишь один раз. «Развитие такого симбиоза с азотфиксирующими бактериями чрезвычайно сложно и даёт преимущество только в завершённом состоянии», — говорит биолог Йенс Каттеге. Многочисленные метаболические пути должны быть перепрограммированы и согласованы между симбиотическими партнёрами. «То, что нечто столь сложное возникает, крайне маловероятно, но не невозможно в течение очень долгого хода эволюции».
Сегодня тысячи видов растений по-разному сотрудничают с клубеньковыми бактериями. Многие другие имеют предрасположенность, но никогда не формировали симбиотических отношений. «Пока точно неизвестно, какие именно гены мутировали», — признаёт Каттеге.
Однако с помощью математических моделей можно рассчитать вероятность того, что вид растения относится к предрасположенным или нет. Здесь обнаружились сюрпризы. Представители очень разных семейств растений, такие как мимозовые, цезальпиниевые и коноплёвые, с высокой вероятностью обладают способностью к симбиозу с азотфиксирующими бактериями.
Симбиоз можно легко запустить у предрасположенных растений
Сравнение различных предрасположенных растений позволило в итоге выявить ответственные за симбиоз гены и метаболические пути. Поскольку растения с предрасположенностью принадлежат к разным видам, они должны генетически отличаться друг от друга сильнее, чем растения близкородственных видов. Следовательно, одинаковая предрасположенность должна быть относительно легко найдена в их геномах.
Вероятность того, что симбиотический механизм можно запустить с помощью селекции, наиболее высока у предрасположенных растений. К ним относятся, например, граб (Carpinus sp.), важный источник древесины, и горькие бобы (Parkia speciosa), популярное пищевое растение в Азии. Но есть и плохие новости для селекционеров важных культур: весьма вероятно, что важные злаки, такие как пшеница, рожь, ячмень и кукуруза, не входят в число растений, предрасположенных к этому симбиозу. Пока точный механизм симбиоза не расшифрован, будет сложно перенести эту способность на данные растения путём селекции.
Учёные Института биогеохимии Макса Планка в Йене заинтересованы не столько в том, чтобы наделить растения способностью фиксировать азот, сколько в использовании базы данных азотфиксирующих растений для лучшего понимания глобального цикла азота и его изменений в результате изменения климата. Это должно помочь улучшить модели земной системы, чтобы точнее прогнозировать влияние растительности на концентрацию CO2 в атмосфере и, следовательно, будущий климат.