Защитный слой доисторических наземных растений

Международная группа исследователей обнаружила биохимический путь, ответственный за формирование кутикулы у мхов. Эти восковые покровы эпидермальных клеток являются внешним слоем растений и защищают их от потери воды. Биологи обнаружили этот механизм, который облегчил эволюционный переход растений из пресной воды на сушу, на примере мха Physcomitrella patens. Руководили работой профессор Ральф Рески из Университета Фрайбурга (Германия) и доктор Даниэль Верк-Райхарт из Института молекулярной биологии растений CNRS в Страсбурге (Франция). Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Растительные кутикулы возникли более 450 миллионов лет назад, когда первые растения колонизировали до того негостеприимные массивы суши. Восковые кутикулы, защищающие от потери воды, позволили растениям распространиться по суше и впоследствии эволюционировать в сложные экосистемы. У появившихся позже семенных растений похожие химические реакции используются для формирования биополимеров лигнина, кутина и суберина. В частности, лигнификация клеточных стенок способствует образованию древесины и помогает деревьям достигать высоты в несколько метров. Мхи же не содержат лигнина и имеют крошечные размеры. Оставалось неизвестным, какой биохимический путь отвечает за формирование защитного слоя клеток мхов.

Исследователи обнаружили, что ключевую роль играет фермент CYP98 из семейства цитохромов P450. Если у семенных растений он запускает производство лигнина, то у Physcomitrella он отвечает за развитие обогащённой фенолами кутикулы. Когда учёные «выключили» ген, ответственный за синтез этого фермента, мох развивался без кутикулы. В результате эти растения не были защищены от окружающей среды и, более того, не могли формировать сложные ткани: развивающиеся органы срастались, и их дальнейшее развитие останавливалось. Исследователи смогли компенсировать этот генетический дефект, добавляя растениям кофейную кислоту, которую они идентифицировали как основной компонент фенольного метаболизма мха.

Биологи делают вывод, что кутикула мхов предшествовала эволюции лигнина, кутина и суберина и, возможно, происходит от последнего общего предка мхов и семенных растений — доисторических растений, которые покинули пресную воду, чтобы жить на скалах, и тем самым заложили основу для развития всех современных экосистем на суше.

«Наши результаты раскрывают одно из самых ранних эволюционных новшеств, которое помогло первым растениям выжить на суше более 450 миллионов лет назад, — объясняет Рески. — Это также предлагает новые биотехнологические стратегии для конструирования биополимеров в растениях, выходящие за рамки хорошо известного производства лигнина у деревьев».

Верк-Райхарт и Рески были старшими научными сотрудниками Института перспективных исследований Фрайбурга (FRIAS) и Института перспективных исследований Университета Страсбурга (USIAS), которые финансировали их германо-французский проект «METABEVO». Рески возглавляет кафедру биотехнологии растений на биологическом факультете Университета Фрайбурга и является одним из основателей-исследователей кластера передового опыта BIOSS.

В исследовании также участвовали учёные из Университета Страсбурга (Франция), Университета Виктории (Канада) и Корнеллского университета (США).