Древняя стратегия защиты растений от патогенов сохранилась спустя 400 миллионов лет

Учёные из Кембриджского университета обнаружили поразительное сходство в защитных механизмах двух эволюционно далёких растений, разошедшихся от общего предка более 400 миллионов лет назад.

Исследователи из Лаборатории Сэйнсбери сравнили, как два неродственных растения — обыкновенная печёночница (Marchantia polymorpha) и цветковое растение дикий табак (Nicotiana benthamiana) — защищаются от агрессивного патогена (Phytophthora palmivora). Это первое подобное сравнение. Изучив реакцию этих растений на инфекцию, команда обнаружила набор семейств генов, реагирующих на микробы, которые восходят к ранней эволюции наземных растений.

Текущее понимание защиты растений основано на изучении сельскохозяйственных культур и небольшого числа близкородственных модельных цветковых растений. Неродственные им растения, такие как печёночницы (нецветковые), часто упускаются из виду. Опубликованное в Current Biology исследование проливает новый свет на стратегии, которые, вероятно, были критически важны для выхода растений на сушу.

«Мы показали, что молекулярные реакции на патогенную инфекцию, типичные для современных цветковых растений, характерны и для очень далёких наземных растений и, следовательно, могут быть более древними, чем мы думали», — говорит доктор Себастьян Шорнак.

Биоинформатик доктор Анна Гоглева выявила подмножество соответствующих друг другу генов (однокопийных ортологов) у печёночницы и дикого табака и проанализировала их активность во время заражения. У обоих растений активировался ряд генов, но особенно высокую активность показал набор метаболических генов, вовлечённых в биосинтез фенилпропаноидов (флавоноидов).

Эти семейства генов часто ассоциируются с реакцией на стресс у цветковых растений, обеспечивая защиту от биотических или абиотических стрессов. Однако впервые эти гены были функционально связаны со стратегией защиты от патогенов у печёночниц.

«Зооспоры патогена прорастают на поверхности печёночницы и в итоге колонизируют её ткани, но в некоторых областях мы наблюдали накопление пурпурно-красного пигмента там, где патоген почти не обнаруживался», — говорит ведущий автор исследования доктор Филип Карелла.

Учёные создали растения печёночницы с мозаичным рисунком пигмента, напоминающим камуфляж, что позволило сравнить устойчивость к патогену пигментированных и непигментированных участков одного растения. Оказалось, что пигмент обеспечивает некоторую устойчивость к инфекции.

«Конфликт между организмами может быть очень мощным фактором естественного отбора, направляющим их эволюционную траекторию. Гены, участвующие в борьбе с конкретными патогенами, могут эволюционировать быстро. Но мы также обнаружили эти широко консервативные гены, реагирующие на инфекцию у очень далёких растений, что говорит о том, что наземные растения сохранили, вероятно, древнюю стратегию сдерживания патогенов, которая оказалась слишком полезной, чтобы её потерять», — заключает доктор Шорнак.

Исследование выявило общий набор генов, реагирующих на патогены, который сохранился как у ранних, так и у эволюционно молодых цветковых растений, и, вероятно, был критически важен для освоения суши.