Что «сосновые» шишки рассказывают об эволюции цветов

Цветковые растения, или покрытосеменные (angiosperms), составляют 90% всей наземной растительной жизни. Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, проливает свет на их генетическое происхождение — эволюционную инновацию, которая более 130 миллионов лет назад быстро привела к появлению огромного разнообразия цветковых растений. Возможно, всё началось с цветка, генетическая программа которого была похожа на программу кувшинки.

«Кувшинки и цветки авокадо по сути являются "генетическими ископаемыми", которые до сих пор несут генетические инструкции, позволившие превратить шишки голосеменных в цветы», — говорит биолог Дуг Солтис из Университета Флориды.

Голосеменные (gymnosperms), такие как хвойные и саговники, производят «шишки» (cones) в качестве репродуктивных структур. «Мы показываем, как первые цветковые растения эволюционировали из уже существовавших генетических программ, найденных в шишках голосеменных», — объясняет он. — «Генетическая программа в шишке голосеменного была изменена, чтобы создать первый цветок».

Загадка и её решение

Основная загадка: как цветы, содержащие и мужские, и женские части, могли развиться из растений, производящих раздельнополые шишки? Решение, по мнению исследователей, в том, что мужская шишка голосеменного имеет почти всю генетическую "оснастку", которая есть у цветка.

Генетическое изменение позволило мужской шишке производить также женские органы и, что важно, — яркие, похожие на лепестки органы, которые привлекли новых агентов опыления, например, пчёл.

Метод исследования

Учёные проанализировали генетическую информацию, закодированную в эволюционно далёких цветках:

• Кувшинка (водяная лилия)
• Авокадо
• Калифорнийский мак
• Резуховидка Таля (Arabidopsis) — модельное растение

Также была изучена нецветковая семенная цикадофита (Zamia), производящая шишкоподобные структуры.

«Мы извлекли РНК из конкретных цветочных органов (и шишек у Zamia), чтобы увидеть, какие гены были активны», — сказала соавтор Пэм Солтис. Сравнив генетические профили органов у древних и более поздних линий цветковых растений, учёные смогли увидеть, какие аспекты генетической программы цветка общие с голосеменными, а какие уникальны.

Результаты: размытые границы у древних цветов

У большинства покрытосеменных цветок имеет четыре чётких органа: чашелистики, лепестки, тычинки (мужские) и пестики (женские). Однако у более древних линий органы интерградируют — постепенно переходят друг в друга. Например, тычинка кувшинки производит пыльцу, но может быть яркой, как лепесток, а чашелистики и лепестки неразличимы (органы называются листочками околоцветника, или тепалами).

Исследователи обнаружили значительное генетическое перекрытие между интерградирующими цветочными органами у кувшинки и авокадо, но меньшее — у мака и резуховидки. «Границы между цветочными органами у ранних групп покрытосеменных не такие чёткие, органы всё ещё как бы "сортируются"», — отметил Дуг Солтис.

Это открытие опровергло ожидания, что каждый орган ранних цветков имел уникальный генетический набор, как у эволюционно продвинутой Arabidopsis. Оно увеличило вероятность того, что единственная мужская шишка дала начало первым цветковым растениям благодаря эластичности своей генетической структуры.

«У ранних цветков тычинка генетически не сильно отличалась от тепала. Чётко различимые цветочные органы, которые мы знаем сегодня, появились позже в эволюции цветковых растений — не сразу», — заключил Дуг Солтис.

Понимание этих генетических «переключателей» в ранних цветках может в будущем помочь учёным в других областях, таких как медицина или сельское хозяйство.