Открытие было сделано во время анализа паразитического растения Viscum scurruloideum, вида омелы, чья очевидная способность выживать и процветать без нескольких генов, участвующих в первичном пути производства энергии кислородными организмами, может сделать его одним из самых необычных растений. на земле.Результаты были опубликованы сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.«Эта потеря генов, скорее всего, соответствует потере всего респираторного комплекса», — сказал Джефф Палмер, заслуженный профессор IU Блумингтонского колледжа искусств и факультета биологии, который руководил исследованием. «Это то, о чем раньше не сообщалось ни о каком многоклеточном организме».
Гены, утраченные у V. scurruloideum, обычно находятся в митохондриальных геномах растений и животных. Митохондрии играют важную роль в общем метаболизме клеточных организмов, выступая в качестве генераторов, вырабатывающих энергию для обеспечения других функций клетки посредством дыхания.Содержащиеся во всех эукариотических клетках митохондрии обладают собственной ДНК из-за их эволюционной истории как «порабощенной» бактерии, поглощенной миллиарды лет назад примитивным эукариотическим организмом.По словам Палмера, биологи рассматривают митохондриальные геномы или митогеномы цветковых растений как «экстремальные и часто вызывающие недоумение» в широком диапазоне их размеров, структур и частоты мутаций.
Но никогда раньше это генетическое разнообразие не включало в себя потерю генов, участвующих в основной генетической функции митохондрий — дыхании.Помимо потери этих генов, митогеном V. scurruloideum демонстрирует другие признаки дегенеративной эволюции, такие как миниатюризация и ускоренная скорость мутаций.
Эта странная «деэволюция» может быть связана со статусом омелы как облигатного паразита, что означает, что ей требуется растение-хозяин для завершения своего жизненного цикла.«Это растение приняло уникальный общий курс в эволюции, предположительно связанное с его паразитическим образом жизни», — сказала Элизабет Скипингтон, научный сотрудник IU, которая является первым автором исследования. «Причина или лекарство — паразитизм, скорее всего, лежит в основе его чрезвычайно маленького митохондриального генома, который показывает явные признаки как быстрой, так и дегенеративной эволюции».В частности, Скипингтон сказал, что митогеном V. scurruloideum потерял все девять митохондриальных генов, кодирующих респираторный комплекс I, основной компонент основного пути производства энергии у аэробных организмов.
Однако потеря этого комплекса не сильно повлияла на способность завода производить энергию.«Утрата этих генов является весьма неожиданной», — сказал Скипингтон. «Более 300 других цветковых растений были ранее исследованы, и Комплекс I присутствует в каждом отдельном виде. Предположительно, паразитический образ жизни V. scurruloideum позволил ему выжить и развиваться независимо от отсутствия этих генов».
Хотя в редких случаях митохондриальные гены могут быть перенесены в ядро клетки, она сказала, что команда IU не нашла доказательств, позволяющих предположить, что это имеет место в случае V. scurruloideum, и что для выявления точного механизма, с помощью которого эти клетки могут быть обнаружены, потребуются дальнейшие исследования. вид компенсирует недостающие гены.Ученые IU обнаружили беспрецедентную нехватку Комплекса I в многоклеточном организме во время более крупного проекта по увеличению числа паразитических растений, подвергшихся секвенированию митохондриального генома.Предыдущие анализы митохондриальных геномов паразитических растений были ограничены Rafflesiaceae, небольшим семейством паразитов, известных своими самыми большими цветами в мире. Чтобы расширить знания о паразитических растениях, команда IU решила секвенировать митохондриальные геномы санталалес, чаще называемых омелой, которые являются крупнейшим отрядом паразитических растений в мире, насчитывающим более 2000 видов.
Некоторые паразитические представители Santalales прикрепляются к корням других растений, чтобы питаться; другие прикрепляются к стеблям. Воздушный паразит V. scurruloideum прикрепляется к стеблю своего растения-хозяина для получения питательных веществ для выживания, и его общий вид знаком каждому, кто когда-либо стоял под омелой во время курортного сезона.Однако, несмотря на их знакомую роль в рождественских традициях, Палмер сказал, что более широкое экологическое значение и распространенность омелы во всем мире обычно не признаются.
«Митогеном V. scurruloideum оказался неожиданным кладезем сюрпризов, установив новые стандарты для экстремальных размеров генома, содержания генов, дивергенции белков и других биологических механизмов», — сказал он. «Мы ожидаем, что дальнейшие исследования этого семейства растений, а также других паразитических цветковых растений дадут еще более глубокое понимание эволюции и функции паразитизма у растений».Дополнительными участниками этого исследования были Дэнни Райс, научный сотрудник отделения биологии Блумингтона IU, и Тодд Баркман из Университета Западного Мичигана в Каламазу.
Финансирование включало поддержку Национального научного фонда.