Как хормонът на растежа помогна на растенията да колонизират земята
Надежда Дмитриева, Новосибирски държавен университет
За момент, бързо напред до преди около 400 милиона години (приблизителното време на появата на растенията на сушата): почти няма растителност, на някои места има кори от водорасли, земята прилича на пустиня. Какво се случи оттогава, тъй като лицето на Земята се промени драматично? Виждаме впечатляващо разнообразие и разпространение на висши растения почти по цялата планета. Те дължат това на редица нововъведения, възникнали от древните им предци, когато са напуснали водата на сушата.
Една от тях е способността за бърз растеж, образуването на различни органи и тъкани в зависимост от етапа на развитие на растението и условията на околната среда. Някои от метаболитните системи, които са в основата на тази способност, са наследени от сухоземните растения от водорасли и значително подобрени в процеса на по-нататъшна еволюция. Въпреки това, произходът на това и някои други нововъведения все още е загадка, тъй като не се вписва в рамките на "стандартния" модел на еволюция - вертикално наследство от предци към потомци.
Ауксинът, синтезиран от растенията, се транспортира до тези тъкани и органи, чийто растеж и развитие е необходимо в момента. Това са върховете на корените и основите на листата, стъблата, цветята и т.н. Например, едно от забележителните свойства на растенията - фототропизъм (промяна в посоката на растеж на растителните органи в зависимост от осветеността) - се дължи на биосинтезата и транспорта на ауксин. Смята се, че сухоземните растения имат такова разнообразие от форми именно поради свойството на този хормон да контролира растежа на тъканите в точното време и на точното място.
По-рано беше установено, че във висшите растения основният и най-важен път за биосинтеза на ауксин, който позволяваза да се развие желаната концентрация на хормона там, където е необходимо, включва участието на триптофан, една от аминокиселините, които образуват протеини. В този процес ауксинът се синтезира от триптофан в две последователни реакции. Тези реакции се контролират от два ензима, триптофан аминотрансфераза (TAA) и флавин-зависима монооксигеназа (YUCCA).
Как съвременните земни растения развиват този биосинтетичен път? Логично е да се предположи, че са го наследили от водораслите, но свързаните с тях протеини, които изпълняват функциите на ензимите TAA и YUCCA, не са открити във водораслите. Това означава, че водораслите не могат сами да синтезират ауксин с участието на ензимите TAA и YUCCA. Това предполага, че гените за триптофан-зависима биосинтеза на ауксин в сухоземните растения са възникнали в генома не в резултат на вертикално наследяване „от родители към потомци“, а в процеса на хоризонтален генен трансфер от организми, които не са предци на сухоземни растения. Това са гъбички, протисти или бактерии.
Хоризонталният генен трансфер е необичаен еволюционен механизъм, при който несвързани организми могат да обменят ДНК. Среща се много често при бактерии и рядко при животни (като насекоми). При растенията известните на науката случаи на хоризонтален трансфер са редки, но напоследък информацията за тях започва да се появява все по-често. По правило това е обменът на гени между растението и неговия паразит или симбионт *, независимо дали е бактерия, гъба или друго растение.
Нека се върнем за момент към въображаемата картина на живота на Земята преди около 400 милиона години. Предците на живите растения, вероятно открити в плитки крайбрежни води заедно с различни бактерии, са били изложени на по-силна ултравиолетова радиация, отколкото сега. В крайна сметка, дебелината на защитнатаОзоновият слой в атмосферата е бил много по-малък от днешния. Много неблагоприятна среда и в резултат на това механизмите за оцеляване, придобити от тялото при тези условия, бяха консолидирани и подобрени. Вероятно в резултат на това се е появил ефективен метод за биосинтеза на ауксин.
Всичко обаче се оказа не толкова просто. Водещият изследовател на Новосибирския държавен университет Дмитрий Афонников заедно с колеги от Института по цитология и генетика на Сибирския клон на Руската академия на науките Игор Турнаев и Константин Гунбин решиха да проверят резултатите от двете работи с помощта на биоинформационни методи. Оказа се, че една от последователностите в генома на многоклетъчния харофия, подобна на гена на ензима TAA, не кодира този ензим.
Извършеният филогенетичен анализ показа, че последователност, подобна на TAA, кодира друг вид ензим, алинази, чието участие в биосинтезата на растежен хормон все още не е установено.
Получените резултати показват, че най-вероятно в многоклетъчните водорасли Klebsormidium flaccidum не съществува механизъм на биосинтеза на ауксин, както при сухоземните растения. По-вероятно е основният биосинтетичен път на ауксин да се наследи от висшите растения чрез хоризонтален генен трансфер. Това събитие се е случило при древните предци на сухоземните растения, вероятно по времето на тяхното появяване на сушата, което е позволило на техните потомци да се разпространят по цялата планета в разнообразието, което виждаме сега. За да се отговори окончателно на въпроса за произхода на пътя на биосинтезата на хормона на растежа, в допълнение към биоинформатиката ще трябва да бъдат включени експериментални методи. Може би големите проекти за секвениране на генома на растенията, като 1Kplant**, които са декодирали геномите на хиляди растения, ще помогнат.
Коментари къмстатия
* Симбионтите са организми от два различни вида, които съществуват в дълго, тясно и взаимноизгодно съжителство.