Новое понимание репродуктивной эволюции наземных растений
Около 470 миллионов лет назад растения начали завоевывать сушу. Первые из них имели небольшую ось, заканчивающуюся структурой, способной образовывать споры, почти как современные мхи. Появление растительных органов обусловило взрывную радиацию наземных растений, которая сформировала поверхность нашей планеты и позволила установиться наземной животной жизни.
Однако эволюция разнообразия органов, таких как корни, листья или неподвижные гаметы, требует скоординированных генетических изменений: появления новых генов, перепрофилирования генетического материала и развития новых регуляторных программ. В исследовании, опубликованном в Nature Plants, консорциум из Европы (включая команду под руководством члена GREEN-IT, а затем IGC, а ныне главного исследователя в ITQB NOVA в Лаборатории репродукции и эволюции растений Йорга Беккера), США и Сингапура представил атлас, объединяющий данные об экспрессии генов у десяти разных видов наземных растений. Это крупнейшая подобная коллекция на сегодняшний день.
Сосредоточившись на детальном анализе собранных данных, команда стремилась выявить новые и недостающие компоненты, участвующие в формировании половых органов и клеток. «Сравнение данных таких разных видов позволило нам отличить гены, важные для размножения всех наземных растений, от тех, которые важны только для цветковых растений», — объясняет Йорг.
Сравнительный анализ атласов показал, что большая часть профилей экспрессии генов оставалась неизменной на протяжении эволюции при рассмотрении эквивалентных органов у разных видов. Данные также продемонстрировали, что формирование органов в значительной степени опирается на перепрофилирование существующего генетического материала. «Мы увидели, что многие группы генов появились задолго до соответствующего органа, и это говорит нам о том, что они возникли благодаря перепрофилированию уже существовавшего генетического материала», — поясняет исследователь.
Команда также искала закономерности в развитии женских и мужских гамет. «Нам было интересно сравнить первые наземные растения, у которых есть подвижные сперматозоиды и которым для размножения нужна вода, с растениями с неподвижными спермиями, которые находятся внутри пыльцевого зерна и не зависят от воды для своей подвижности», — говорит Йорг.
Команда обнаружила, что в отличие от женских гамет, мужские гаметы демонстрировали высокое количество и консервативность генов, что указывает на большую специализацию мужской репродукции. Среди них — белки, регулирующие экспрессию генов (транскрипционные факторы), и белки, ответственные за перенос фосфата на другие белки (киназы), которые потенциально важны для образования и функции пыльцы.
Эта работа также позволила создать базу данных EVOREPRO — удобный онлайн-инструмент для просмотра и сравнительного анализа геномных и транскриптомных данных, полученных из образцов тринадцати представителей царства растений. Эта база данных может стать ценным ресурсом для дальнейших исследований и валидации ключевых генов, участвующих в органогенезе и размножении наземных растений.
«Знание генов, важных для развития и функции конкретного органа, дает нам указание, какие гены нужно модифицировать, чтобы улучшить его функцию. Мы ищем, например, те, которые делают развитие сперматозоидов и яйцеклеток более устойчивым к нагреванию, и способы преодоления барьеров оплодотворения между разными видами растений для получения гибридов высшего качества», — заключает Йорг.