Як гормон росту допоміг рослинам колонізувати сушу.
Надія Дмитрієва, Новосибірський державний університет
На мить перенесемося приблизно на 400 млн років тому (передбачуваний час виходу рослин на сушу): рослинності майже немає, подекуди водоростеві кірки, суша схожа на пустелю. Що ж сталося з того часу, адже образ Землі змінився кардинально? Ми бачимо вражаючу різноманітність та поширення вищих рослин майже по всій планеті. Повинні вони цим цілу низку інновацій, що виникли у їх стародавніх предків при виході з води на сушу.
Одна з них — здатність до швидкого зростання, формування різноманітних органів та тканин залежно від стадії розвитку рослин та умов навколишнього середовища. Частина метаболічних систем, які лежать в основі подібної здатності, наземні рослини успадкували від водоростей та у процесі подальшої еволюції значно вдосконалили. Однак походження цього та деяких інших нововведень досі залишається загадкою, оскільки не укладається у рамки «стандартної» моделі еволюції — вертикального успадкування від предків до нащадків.
Синтезований рослинами ауксин транспортується в ті тканини та органи, зростання та розвиток яких на даний момент необхідні. Це і кінчики коренів, і основи листя, стебла, квіти та інше. Наприклад, одна із чудових властивостей рослин — фототропізм (зміна напряму росту органів рослин залежно від освітленості) — зумовлена біосинтезом та транспортом ауксину. Вважається, що наземні рослини мають таку різноманітність форм саме завдяки властивості цього гормону керувати зростанням тканини в потрібний час і в потрібному місці.
Раніше було встановлено, що у вищих рослин основний і найбільш значущий шлях ауксину біосинтезу, що дозволяєнапрацювати потрібну концентрацію гормону там, де це необхідно, включає участь триптофану - однієї з амінокислот, що формують білки. У цьому процесі ауксин синтезується із триптофану в ході двох послідовних реакцій. Ці реакції контролюються двома ферментами – триптофан-амінотрансферазою (TAA) та флавінзалежною монооксигеназою (YUCCA).
Як у сучасних наземних рослин виник цей шлях біосинтезу? Логічно припустити, що він був успадкований ними від водоростей, проте споріднених білків, що виконують функції ферментів TAA та YUCCA, у водоростей не виявили. Це означає, що водорості не можуть самі синтезувати ауксин за участю ферментів TAA та YUCCA. Звідси напрошується припущення, що в наземних рослин гени триптофан-залежного біосинтезу ауксину виникли в геномі не внаслідок вертикального спадкування «від батьків до нащадків», а в процесі горизонтального перенесення генів від організмів, які не є предками наземних рослин. Це гриби, протисти чи бактерії.
Горизонтальне перенесення генів — незвичайний механізм еволюції, у якому організми, які перебувають у спорідненості, можуть обмінюватися ДНК. Він часто зустрічається у бактерій і рідко — у тварин (наприклад, у комах). У рослин відомі науці випадки горизонтального перенесення рідкісні, проте останнім часом інформація про них почала з'являтися все частіше. Як правило, це обмін генами між рослиною та її паразитом чи симбіонтом*, чи то бактерія, гриб чи інша рослина.
Повернемося ненадовго до уявної картини життя Землі близько 400 млн років тому. Предки рослин, що нині живуть, імовірно, що знаходилися в дрібних прибережних водоймах разом з різними бактеріями, піддавалися сильнішому ультрафіолетовому опроміненню, ніж зараз. Адже товщина захисногоозонового шару в атмосфері була набагато меншою за сучасну. Дуже несприятливе середовище, і, як наслідок, придбані організмом механізми виживання за умов закріплювалися і вдосконалювалися. Ймовірно, в результаті виник ефективний спосіб біосинтезу ауксину.
Однак, все виявилося не так просто. Провідний науковий співробітник Новосибірського державного університету Дмитро Афонніков спільно з колегами з Інституту цитології та генетики СО РАН Ігорем Турнаєвим та Костянтином Гунбіним вирішили перевірити результати обох робіт методами біоінформатики. З'ясувалося, що одна з послідовностей у геномі багатоклітинної харової водорості, схожа на ген ферменту TAA, не кодує цей фермент.
Проведений філогенетичний аналіз показав, що послідовність, схожа на TAA, кодує інший тип ферментів - алінази, участь яких у біосинтезі гормону росту в даний час не встановлено.
Отримані результати демонструють, що, найімовірніше, багатоклітинні водорості Klebsormidium flaccidum механізму біосинтезу ауксину, як у наземних рослин, немає. Найімовірніше, що основний шлях біосинтезу ауксину успадкований вищими рослинами саме у вигляді горизонтального перенесення генів. Ця подія відбулася у стародавніх предків наземних рослин імовірно в момент їхнього виходу на сушу, що дозволило їх нащадкам поширитися по всій планеті в тому різноманітті, яке ми зараз бачимо. Щоб остаточно відповісти на питання про походження шляху біосинтезу гормону росту, на додаток до біоінформатичних, доведеться залучити експериментальні методи. Можливо, цьому допоможуть великі проекти секвенування геномів рослин, такі, як 1Kplant**, за допомогою якого були розшифровані геноми тисячі рослин.
Коментарі достатті
* Симбіонти - організми двох різних видів, що існують у тривалому, тісному та взаємовигідному співіснуванні.