Как растения заселили сушу: водоросли могут дать ответ

Исследователи Корнелла секвенировали и анализировали геном одноклеточной водоросли, которая относится к ближайшей линии к наземным растениям и дает много подсказок о том, как водные растения впервые заселили землю.

Penium margaritaceum принадлежит к группе пресноводных водорослей, называемых харофитами, и в частности к подгруппе, называемой Zygnematophyceae, которая имела общего предка с первыми наземными растениями около 600 млн лет назад. Чтобы перейти от воды к земле, переход, который до сих пор озадачивает ученых, растения должны были защитить себя от высыхания и ультрафиолетового излучения, и им приходилось разрабатывать новые способы, чтобы поддерживать себя без плавучести, обеспечиваемой водой.

Исследователи обнаружили следы всех этих адаптаций в геноме Penium, что позволяет понять механизмы и генетику, необходимые ранним наземным растениям.

Мы почти ничего не знали о геномах непосредственных предков наземных растений. Теперь у нас есть захватывающее понимание последнего общего предка водорослей и наземных растений. И это позволяет биологам выявлять происхождение их молекулярных путей, систем развития и биологических процессов и помещать их в контекст колонизации Земли способами, которые ранее были невозможны, - Джоселин Роуз, профессор биологии растений в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни.

Хотя некоторые водоросли из группы харофитов разветвлены и выглядят как ранние наземные растения, молекулярные данные показывают, что общий предок имел более простую филаментообразную форму.

Эта водоросль живет на окраине пресной воды и земли, в местах обитания, которые подвергают его воздействию периодов высыхания и регидратации, и это, вероятно, было ключевым фактором развития в давние времена.

Геном Penium содержит много повторяющейся и «мусорной» (некодирующей) ДНК, что создавало проблемы для исследователей. В итоге они извлекли чистый набор ДНК из очищенных ядер и интегрировали различные методы секвенирования ДНК и программы сборки, чтобы охватить весь геном. Они также провели современное секвенирование транскриптома (РНК), чтобы дополнить секвенирование генома и понять, какие гены были включены и выключены различными стрессами.

Одним из важных результатов является то, что ученые нашли флавоноиды, химические вещества, которые могут защитить от ультрафиолетового излучения. Ранее считалось, что эти соединения существуют только на наземных растениях. А тут были обнаружены не только сами флавоноиды, но и части пути их биосинтеза.

Исследователи также определили гены, вовлеченные в регуляторные системы и передачу сигналов гормонов, которые ранее были обнаружены только у наземных растений, а также механизмы, которые препятствуют высыханию растений, включая образование слизи.

Они также обнаружили большое количество генов, которые способствуют биосинтезу и реорганизации клеточной стенки, необходимых для структурной поддержки.