Два критични гена са идентифицирани за растенията, които са колонизирали Земята преди 470 милиона години

Изследователите хвърлиха нова светлина върху това как растителният живот е възникнал на Земята

изследователи от Копенхагенския университет Тя хвърли нова светлина върху това как растителният живот е възникнал на повърхността на нашата планета. По-конкретно, те показаха, че два гена са необходими на сухоземните растения, за да се предпазят от атака на гъби – защитен механизъм, който датира отпреди 470 милиона години. Вероятно тези защити са проправили пътя за целия земен растителен живот.

Мадс Егерт Нилсен, биолог от университета в Копенхаген.

Растенията са еволюирали от водни водорасли до способността да оцелеят на Земята преди почти половин милиард години, полагайки основата на живота на Земята. Едно от пречките, които направиха тази драматична трансформация толкова трудна, бяха гъбичките:

Смята се, че преди 100 милиона години гъбите са пълзяли по повърхността на Земята в търсене на храна, най-вероятно открити в мъртви водорасли, изхвърлени от морето. Така че, ако вие като ново растение ще се установите на Земята и първото нещо, с което се сблъскате, е гъбичка, която ви изяжда, имате нужда от някакъв защитен механизъм“, казва Мадс Егерт Нилсен, биолог в отдела. по науки за растенията и околната среда в университета в Копенхаген.

Според Мадс Егерт Нилсен и колеги изследователи от катедрата по растителни и екологични науки и Университета в Париж-Склей, ядрото на този защитен механизъм може да бъде стеснено до два гена, PEN1 и SYP122. Заедно те спомагат за образуването на вид компонент в растенията, който предотвратява инвазията на гъбички и подобни на гъбички организми.

„Открихме, че ако унищожим тези два гена в нашия модел на Arabidopsis, ние отваряме вратата за проникване на патогенни гъби. Открихме, че те са от съществено значение за образуването на тази клетъчна стена, която предпазва от гъбичките. Интересното е, че изглежда, че е универсален защитен механизъм, открит във всички сухоземни растения“, казва Мадс Егерт Нилсен, старши автор на изследването, публикувано в списание Science. eLife.

Израснах във фабрика на 470 милиона години

Изследователският екип тества същата функция в черния дроб, пряк потомък на едно от първите сухоземни растения на Земята. Като взеха двата съвпадащи гена в черния дроб и ги поставиха в крес, изследователите проучиха дали могат да определят същия ефект. Отговорът беше да.

Експерименти с модел Arabidopsis Автор: Мадс Егерт Нилсен

„Въпреки че двете растителни семейства, към които принадлежат Arabidopsis и чернодробната черва, се развиват в различни посоки преди 450 милиона години, те продължават да споделят генетични функции. Ние вярваме, че това семейство гени се е появило с уникалната цел да управлява този защитен механизъм и по този начин е един от основите на растенията, за да се установят на земята“, казва Мадс Егерт Нилсен.

Съвместното съществуване на растения и гъби

Докато гъбите са били пречка за растенията при прехода им от морски водорасли към превръщане в сухоземни растения – те също са били предпоставка. Мадс Егерт Нилсен обяснява, че след като растенията са успели да оцелеят при атаките на гъбичките, които се стремят да ги изядат на Земята, следващият проблем, пред който са изправени, е намирането на хранителни вещества:

Растенията във водна среда имат лесен достъп до разтворени хранителни вещества като фосфор и азот. Но преди 500 милиона години почвата, каквато я познаваме днес, не е съществувала – само скали. Хранителните вещества, свързани със скалите, са изключително трудни за получаване на растенията. Но не и за гъбички. От друга страна, гъбите не могат да произвеждат въглехидрати – поради което консумират растения. Тук се смята, че е възникнала симбиотичната връзка между растенията и гъбите, която по-късно става основа за експлозия на земния растителен живот през този период.

Защитните структури, които се образуват в растението, не убиват растението или гъбичките, те просто предотвратяват нахлуването на гъбичките.

„Тъй като гъбите могат да влязат само частично в растението, ние вярваме, че възниква повратна точка, когато и растението, и гъбичките имат какво да спечелят. Ето защо беше полезно връзката да се запази такава, каквато е. Теорията, че растенията опитомяват гъбите, за да се колонизират земята Не е наша, но ние осигуряваме фураж, който подкрепя тази идея“, казва Мадс Егерт Нилсен.

Може да се прилага в селското стопанство

Новите открития добавят важна част към пъзела от еволюционната история на растенията. По-важното е, че те могат да се използват, за да направят културите по-устойчиви на гъбични атаки, което е голям проблем за фермерите.

„Ако всички растения се защитават по един и същи начин, това би трябвало да означава, че микроорганизми, способни да причинят болести – като брашнеста мана, жълта ръжда и гниене на картофи – са намерили начин да проникнат, спрат или избягват защитните сили на съответните растения гостоприемници. Ние искат да знаят. Как го правят. След това ще се опитаме да прехвърлим защитните компоненти от устойчивите растения към тези растения, които се разболяват, и по този начин да постигнем устойчивост“, казва Мадс Егерт Нилсен.

Мадс Егерт Нилсен участва в изследователски проект в Департамента по ботанически и екологични науки, ръководен от Ханс Тордал-Кристенсен и подкрепен от фондация Novo Nordisk, който се фокусира върху това да направи културите по-устойчиви чрез идентифициране на защитни механизми в растенията, които причиняват болести микроорганизми се опитват на адрес. близо.

Допълнителни факти

Изследователите отдавна предполагат, че гените PEN1 и SYP122 изпълняват специална функция по отношение на прехода на растенията от тяхната водна фаза като водорасли към сухоземни растения, но няма конкретни доказателства за това дали те наистина са предпоставка за растенията. отбранителни способности.

Предишни проучвания показват, че чрез унищожаване на гена PEN1 растенията губят способността си да се защитават срещу брашнеста мана. Когато обаче близкият ген, SYP122, бъде унищожен, нищо не се случва. Резултатите от новите изследвания показват, че двата гена заедно представляват важен ключ в защитния механизъм на растението.

Справка: „Растителни SYP12 структури медиират еволюционно запазен общ имунитет към патогени на нематоди“ От Хектор М Рубиато, Мингчи Лиу, Ричард Дж. О’Конъл и Мадс Е. Нилсен, 4 февруари 2022 г., достъпно тук. eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.73487