Анализ генома показал, как водоросли эволюционировали в наземные растения

Исследовательская группа, включающая учёных из Токийского технологического института, Института исследований ДНК Кадзуса и RIKEN, проанализировала геном наземной водоросли и выявила наличие генов, позволяющих растениям справляться с экстремальными условиями жизни на суше, такими как засуха, воздействие света высокой интенсивности и УФ-излучения.

Колонизация суши растениями была ключевым событием в эволюции жизни. Переход обеспечил питательные вещества и кислород для выживания наземных существ, однако до сих пор было мало свидетельств о стадиях эволюции растений, позволивших им адаптироваться от водной жизни к условиям на суше. Группа исследователей под руководством Хироюки Охты из Токийского технологического института идентифицировала особенности в геноме простой наземной водоросли, которые представляют ключевые эволюционные вехи для выживания в более суровых наземных условиях.

Предками современных наземных растений считаются харофиты — отдел зелёных водорослей, распространённых по всему миру. Несмотря на потенциальную значимость для эволюции жизни, данные о последовательностях генома харофитов до сих пор были фрагментарными.

Харофит Klebsormidium — очень простой многоклеточный организм, и большинство видов, адаптировавшихся к жизни на суше, могут также жить в воде. Охта и его команда проанализировали геном наземной водоросли Klebsormidium flaccidum и сравнили его с другими водорослями и наземными растениями.

Сравнение предполагает, что многие гены, необходимые для выживания на суше, уже присутствовали у предка K. flaccidum. Исследователи также идентифицировали гены, кодирующие механизмы реагирования на стимулы окружающей среды и защиты от света высокой интенсивности.

Вывод: анализ предоставляет доказательства, что у K. flaccidum есть фундаментальный механический аппарат, необходимый для адаптации к выживанию в наземных условиях.

Эволюция для наземной жизни

Водные среды значительно стабильнее условий на суше. Свет и УФ-излучение высокой интенсивности, а также засуха могут вызывать стресс и повреждение клеток растений без эволюционных механизмов для борьбы с ними.

Сравнение семейств генов и доменов

Исследователи сравнили последовательности 31 белка из K. flaccidum, 5 наземных растений, 7 харофитных водорослей и 9 других водорослей. Они сравнили паралоги (гены, принадлежащие к семейству, содержащему два или более генов), синглетоны (гены, не имеющие паралога) и количество семейств генов.

Они обнаружили, что у водорослей количество семейств генов увеличивалось пропорционально общему числу генов, тогда как у наземных растений количество семейств генов выходит на плато, а паралоги встречаются чаще. Примечательно, что гены для важных процессов наземной жизни — таких как биогенез клеточной стенки и реагирование на внешние сигналы — встречались как синглетоны у K. flaccidum, тогда как у наземных растений у них было много паралогов. Также они обнаружили, что высокий процент белковых доменов и их комбинаций, найденных у наземных растений (90.7% белковых доменов и 84.3% комбинаций доменов), присутствовал у K. flaccidum.

Реакции, опосредованные растительными гормонами, для борьбы с засухой, засолением и замерзанием

Наземные растения реагируют на изменения окружающей среды через высвобождение гормонов, которые запускают механизмы ответа. Например, абсцизовая кислота (ABA) является сигнальной молекулой для адаптации к засухе, засолению и замерзанию, а ауксин и цитокинин запускают ряд ключевых для роста механизмов. Присутствие некоторых гормонов и аналогов части их рецепторов было идентифицировано у K. flaccidum, хотя многие хорошо известные рецепторы, crucial для передачи сигналов растительных гормонов, отсутствовали. Это предполагает, что водоросль развила примитивные сигнальные пути наземных растений.

Циклический транспорт электронов для борьбы со светом высокой интенсивности

Несколько стрессов, таких как свет высокой интенсивности и засуха, активируют циклический транспорт электронов в так называемой стресс-отзывчивой системе фотосинтеза высших растений. Циклический транспорт электронов вызывает процессы тушения и синтез ATP, которые помогают рассеивать избыточную световую энергию, защищая наземные растения от повреждений. Исследователи идентифицировали семь генов, кодирующих пути циклического транспорта электронов у K. flaccidum.