Рецепторы растений для азотфиксирующих бактерий независимо эволюционировали как минимум трижды
Химические рецепторы, которые растения используют для распознавания азотфиксирующих бактерий, независимо развили одну и ту же функцию как минимум в трёх отдельных случаях в процессе конвергентной эволюции.
Многие растения семейства бобовых и близкородственных видов культивируют в своих корнях бактерии, которые превращают атмосферный азот в доступную для растений форму. Учёные хотят придать эту симбиотическую способность другим видам с помощью генной инженерии, но для этого необходимо понять, как она эволюционировала.
Исследователи, включая учёных из Florida Museum of Natural History, определили, что рецепторы для распознавания бактерий независимо эволюционировали как минимум трижды. Результаты подтверждают теорию, что бобовые и их родственники унаследовали предрасположенность к симбиозу от общего предка, жившего более 100 миллионов лет назад.
«Это исследование впервые показывает, что есть и другие дороги в Рим. Есть несколько способов получить азотфиксирующий симбиоз», — сказал соавтор работы Дуглас Солтис.
Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Эволюционный контекст и «азотфиксирующий клад»
Азотфиксация — энергетически очень затратный процесс. Для расщепления одной молекулы диазота (N2) требуется 16 молекул АТФ, по сравнению с 3 молекулами АТФ для фиксации углекислого газа. Кроме того, ключевой фермент нитрогеназа содержит железо и чувствителен к кислороду, что требует от бактерий дополнительных энергозатрат на его защиту.
Растения, образующие клубеньки с бактериями, относятся к так называемому азотфиксирующему кладу, происходящему от общего предка, жившего около 110 миллионов лет назад. Однако не все 30 000 видов в этом кладе образуют клубеньки — эта способность наблюдается лишь у 8000. Это породило дебаты: клубеньки эволюционировали один раз и потом многократно терялись, или же возникали независимо в разных линиях.
Механизм симбиоза: химический пароль
Процесс установления симбиоза начинается с химической коммуникации:
- Растение выделяет флавоноиды как сигнал для бактерий.
- Бактерии (роды Rhizobium или Frankia) отвечают особыми молекулами — Nod-факторами (нод-факторами), которые действуют как химический пароль.
- Рецепторы растений распознают этот пароль, что запускает процесс закручивания корневого волоска, инвагинации клеточной стенки и формирования клубенька.
Гены, кодирующие эти рецепторы, изначально участвовали в другом древнем симбиозе — с микоризными грибами, который характерен для более 90% растений. В азотфиксирующем кладе произошла(и) дупликация(и) этих генов, и лишние копии, накопив мутации, были перепрофилированы для распознавания азотфиксирующих бактерий.
Новое исследование: поиск дупликаций генов
Чтобы выяснить, сколько раз происходило это перепрофилирование, авторы построили филогенетическое дерево для клада на основе ДНК более 12 000 видов. Затем они проанализировали гены рецепторов у 28 видов с полными геномами (11 с симбионтами Rhizobium, 5 с Frankia и 12 без клубеньков).
Результаты показали:
- Гены рецепторов дуплицировались девять раз в изученных линиях.
- Три из этих дупликаций явно связаны с обретением способности к симбиозу: две в семействе бобовых и одна в предке семейств розовых, тыквенных и других.
- Виды бобовых, у которых не было этой дупликации, не образовывали клубеньков.
- Однако два вида, образующих симбиоз с Frankia (ольха обыкновенная и казуарина болотная), не показали дупликации исследуемых генов. Это указывает, что они, вероятно, используют для распознавания бактерий совершенно другой набор генов.
Эти данные свидетельствуют о множественном независимом происхождении (конвергентной эволюции) механизма распознавания симбионта, как минимум, по трём путям.
Значение для науки и биотехнологий
«Используя этот широкий эволюционный подход, мы смогли использовать силу биоразнообразия и найти свидетельства процессов, которые нельзя обнаружить, работая только с модельными организмами», — отметила Памела Солтис.
Большинство исследований симбиоза проводилось на легкодоступных модельных растениях. Новое исследование показывает, что в природе существует несколько генетических путей к одной цели — азотфиксирующему симбиозу.
Для генной инженерии сельскохозяйственных культур это открывает новые возможности. Конвергентная эволюция позволяет сузить круг поиска до действительно необходимых генетических компонентов, поскольку к одному результату пришли независимыми путями.
«Одно из преимуществ конвергентной эволюции в том, что можно понять, что действительно необходимо, поскольку к одному и тому же пришли независимыми путями», — пояснила ведущий автор Кристина Файнеган.