Эволюция электрической сигнализации у растений: от водорослей до цветковых

Исследование, проведенное учеными из Тасмании, Чили и Германии, углубило понимание эволюции растений, проследив происхождение компонентов электрической сигнализации, которые растения развили для коммуникации и адаптации к жизни на суше.

Команда, включая специалиста по растениям из Университета Тасмании доктора Фрэнсис Сасмилч, изучила последовательности ДНК разнообразных видов растений, чтобы определить эволюционное происхождение важных адаптаций.

"Внимательно изучив последовательности калиевых каналов у этих видов, мы с радостью обнаружили свидетельства древних эволюционных событий, которые привели к сложным механизмам межклеточной сигнализации, наблюдаемым у современных растений", — сказала доктор Сасмилч.

Эта история началась около 500 миллионов лет назад, когда предки наземных растений — водоросли — вышли из воды и завоевали сушу.

На суше растения столкнулись с новыми вызовами: сложными и изменчивыми условиями среды, такими как засуха, жара, УФ-излучение и ветер, а также взаимодействием с новыми биологическими угрозами.

"Эти древние растительные пионеры сделали ландшафт более гостеприимным для первых наземных животных и дали начало невероятному разнообразию наземных растений, которые мы видим сегодня, включая мохообразные, папоротники, голосеменные и цветковые растения", — отметила доктор Сасмилч.

Одной из черт, которая, вероятно, помогла растениям процветать на суше, является наличие молекулярных механизмов для межклеточной сигнализации. Это позволяет клеткам в теле растения общаться, обеспечивая скоординированные реакции на изменения окружающей среды.

Одним из средств быстрой межклеточной коммуникации у растений является электрическая сигнализация на основе потенциалов действия, сравнимая с электрическими импульсами, контролирующими синхронное биение человеческого сердца.

У растений потенциалы действия могут использоваться для быстрых реакций на такие сигналы, как повреждение или прикосновение, например, захлопывание венериной мухоловки. Для электрической коммуникации растениям необходимы вольтаж-зависимые ионные каналы, которые контролируют поток ионов в клетку и из нее в ответ на стрессоры.

Доктор Сасмилч пояснила, что каналы, обеспечивающие движение ионов калия через клеточную мембрану, играют критическую роль в электрической возбудимости растений.

Исследователи использовали ресурсы геномных последовательностей видов, представляющих каждую из основных групп наземных растений и зеленых водорослей. Они изучили последовательности калиевых каналов у этих растений на наличие последовательностных "отпечатков", указывающих на различные структурные и функциональные характеристики.

Ключевые выводы исследования:

• Последовательности с "отпечатком", характерным для одной группы родственных эффлюксных каналов (обеспечивающих выход ионов калия из клеток), сохранились у большинства линий наземных растений — печеночников, антоцеротовых, папоротников, голосеменных и цветковых — и их ближайших ныне живущих родственников среди водорослей.
  • Это говорит о том, что данный тип каналов, вероятно, уже присутствовал у растений, когда они впервые вышли из воды, и был сохранен в ходе дальнейшей эволюции из-за его важности для межклеточной коммуникации.
• Однако этот тип канала отсутствовал у всех изученных видов мхов. Это указывает на то, что он мог стать ненужным в нишах, которые занимали ранние мхи, и был утрачен в геноме общего предка современных мхов.
• В отличие от этого, "отпечатки" для четырех различных типов родственных инфлюксных каналов (обеспечивающих вход ионов калия в клетки) диверсифицировались сравнительно недавно, что позволило увеличить разнообразие функций каналов у цветковых растений.

Результаты исследования вместе с аналитическим конвейером для последовательностей, который можно использовать для изучения эволюции других семейств генов аналогичным образом, были недавно опубликованы в журнале Trends in Plant Science.