Наземные растения произошли от водорослей 470 миллионов лет назад и с тех пор изменили наш мир. На протяжении своей эволюции папоротники претерпели ряд изменений, которые помогли им выжить на суше. Впервые исследователи описали расположение генома древовидных папоротников, что позволило по-новому взглянуть на эволюцию папоротников.
Важным событием в эволюции наземных растений стало изобретение сосудистых систем, которые помогают им переносить воду, питательные вещества и пищу по всему телу. Эти системы состоят из двух тканей: ксилемы и флоэмы. В то время как ксилема обеспечивает транспортировку воды к стеблям и листьям, флоэма помогает переносить сахара, образующиеся в результате фотосинтеза, к остальным частям растения. Кроме того, только клетки ксилемы выстланы структурными материалами, поддерживающими лигнин, который придает жесткость древесине и коре. Исследователи хотели понять, как эти сосудистые системы развились у папоротников и как образуется лигнин.
“Папоротники – самые ранние сосудистые растения, и одностворчатые клеточные стенки были ключевым новшеством в эволюции этих растений. Это исследование улучшило наше понимание того, как развивались сосудистые ткани у папоротников и других видов наземных растений”, — рассказывает Рэй Минг (GEGC), профессор биологии растений.
Для этого исследования ученые секвенировали геном древовидного папоротника Alsophila spinulosa и изучили, как устроены его сосудистые ткани. Они обнаружили, что два связанных с сосудами гена MAC-домена высоко экспрессируются в ксилеме по сравнению с другими тканями, что указывает на то, что они могут быть ключевыми регуляторами формирования специфических клеток ксилемы.
Используя микроскопию и биохимические методы, исследователи также измерили уровень лигнина и вторичных метаболитов – соединений, которые не требуются для роста или размножения, но обеспечивают определенные преимущества – в папоротниках. Выяснилось, что лигнин составляет 40% клеточной стенки стебля. Для сравнения, древесина обычно содержит 25%. Они также обнаружили новый вторичный метаболит, вырабатываемый в основном в ксилеме, который они назвали альсофилин.
“Это новое соединение в изобилии присутствует в ксилеме, вероятно, как одно из соединений, заполняющих полость нефункционирующих трахеальных клеток. Мы также выявили в геноме гены, участвующие в биосинтезе альсофилина”, — делится Минг.
Чтобы понять, как эволюционировали папоротники, исследователи сравнили геномную последовательность A. spinulosa с другими представителями того же вида в девяти регионах Китая. К своему удивлению, они обнаружили, что существует шесть различных популяций, которые отличаются друг от друга геномными последовательностями. На основании результатов секвенирования исследователи реконструировали историю популяций папоротников и увидели, что было два случая, когда популяции этих видов резко сокращались. Первый произошел 35,6-34,5 миллиона лет назад, а второй – 2,5-0,7 миллиона лет назад.
“Этот анализ геномов и состава лигнина из обширной коллекции папоротников поможет нам понять роль лигнина в раннем происхождении сосудистых растений. В наших будущих исследованиях мы надеемся увеличить количество мест и размер выборки для геномного анализа”, — подчеркнули ученые.
