Раскрыта эволюционная тайна возвышения семенных растений
Исследователи впервые раскрыли загадку возвышения семенных растений с точки зрения эволюции специализированной клеточной стенки.
Ключевое эволюционное преимущество
- Каспариева полоска существует у всех сосудистых растений (папоротники, плауны, голо- и покрытосеменные).
- Субериновые пластинки присутствуют только у голо- и покрытосеменных (семенные растения).
Эти структуры энтодермы корня контролируют транспорт воды и минералов. Исследование показало, что они имеют разное эволюционное происхождение: каспариева полоска возникла у общего предка сосудистых растений, а субериновые пластинки — у общего предка семенных растений.
Молекулярный механизм появления суберина
Анализ генов, участвующих в формировании субериновых пластинок, показал:
- Значительное расширение (дупликация) этих генов произошло у общего предка семенных растений.
- Ключевые MYB-транскрипционные факторы, приобретшие способность инициировать синтез суберина, появились именно у этой группы в результате генной экспансии. Гомологи этих генов у папоротников и плаунов такой функции не имеют.
Роль в адаптации к засухе и смене флоры
Гипотеза о связи суберина с устойчивостью к засухе была подтверждена экспериментально:
- Мутанты Arabidopsis с дефектами суберина были более чувствительны к засухе.
- Рамановская спектроскопия и ЯМР показали, что субериновые пластинки, полностью enveloping клетки энтодермы, почти полностью блокируют свободную диффузию молекул воды.
- У семенных растений скорость "утечки" воды при осмотическом стрессе составляет всего 1–2% по сравнению с папоротниками и плаунами. Это значительно повышает эффективность транспорта воды в сосудистой системе в засушливых условиях.
Эволюционная модель
- Каменноугольный период (влажный климат): Папоротники без субериновых пластинок имели более высокую эффективность поглощения воды и питательных веществ и доминировали.
- Поздний каменноугольный период (похолодание и аридизация): Семенные растения, эволюционно приобретшие субериновые пластинки, получили преимущество благодаря более эффективной транспортной системе и повышенной засухоустойчивости, что позволило им заменить папоротники в качестве доминирующей флоры.
Значение исследования
Работа не только раскрывает происхождение ключевых структур корня, но и впервые предоставляет доказательства того, что появление субериновых пластинок стало движущей силой возвышения семенных растений. Это открытие имеет важное значение для изучения механизмов устойчивости растений к засухе и соли, а также для создания засухоустойчивых сельскохозяйственных культур.