В исследовании, опубликованном в Интернете 8 января 2015 года в первом выпуске журнала Nature Plants, задокументирован сигнальный путь этилена у харофитов — линии зеленых водорослей, которые являются ближайшими родственниками наземных растений. Результаты показывают, что гены и клеточные механизмы, ответственные за путь этилена, оставались относительно нетронутыми у разных видов на протяжении более 450 миллионов лет, начиная с того времени, когда харофиты и наземные растения произошли от общего водного предка.
На этом этапе истории Земли растения и другие организмы еще не колонизировали землю. За исключением нескольких разрозненных видов водорослей и бактерий, все живое по-прежнему населяло озера, ручьи и океаны мира.Это открытие может изменить наши представления об эволюции растений и о том, как растения реагируют на стрессы окружающей среды. В условиях засухи, изменения климата, загрязнения и других факторов стресса, влияющих как на сельскохозяйственные культуры, так и на природные экосистемы, такие открытия могут помочь будущим усилиям адаптироваться к нашему изменяющемуся миру.
«Мы обнаружили полный путь этилена, хорошо известный у наземных растений, у нерастений. Это поразительная вещь», — сказал Карен Чанг, соавтор исследования и профессор кафедры клеточной биологии и молекулярной генетики UMD. «Это меняет наши взгляды на мир. Этилен обычно регулирует фрукты, цветы, листья … все, чего у харофитов просто нет».Хотя этиленовый путь присутствует во всех наземных растениях, он может выполнять различные функции.
Гормон, который существует в виде газа в своем естественном состоянии, может созревать плоды, вызывать цветение или заставлять листья отделяться от ветвей. Однако нет никаких абсолютных правил. Например, у некоторых видов этилен может стимулировать рост, а у других — наоборот.
Но во всех случаях молекулярный механизм, отвечающий за восприятие молекулы этилена, совершенно один и тот же. Важно отметить, что, как показывает текущее исследование, он почти идентичен и у харофитов.
Чтобы прийти к своим выводам, команда полагалась на инновационное сочетание передовых методов биоинформатики и лабораторных экспериментов. Они изучили пять различных типов современных харофитов, чтобы собрать генетические и молекулярные данные, и обнаружили следы этиленового пути у всех из них.
Затем они остановились на одном виде, Spirogyra pratensis, чтобы изучить реакцию водорослей на этилен. Они обнаружили, что этилен заставляет клетки спирогиры удлиняться — вдвое больше их нормальной длины при воздействии достаточного количества газа.
Потребуется больше работы, чтобы определить, почему спирогира получает пользу от этой реакции и на что именно она может реагировать. Но у Чанг и ее коллег есть некоторые догадки.
Спирогира обитает в неглубоких бассейнах с пресной водой, и иногда эти бассейны высыхают, оставляя маты из водорослей, сидящих на полках с грязью. Удлинение этих подвергнутых стрессу клеток может помочь филаментам спирогиры поддерживать контакт с водой до следующего ливня.
Или, возможно, верно и обратное: во время сильного наводнения водорослевые маты могут затопиться и потерять контакт с слегка пропитанными, богатыми кислородом поверхностными водами, в которых они обычно обитают. В этом случае удлиненные нити могут помочь клеткам водорослей быстро восстановить контакт с поверхностью.
«Это исследование имеет огромное значение для понимания механизмов реакции растений на стресс и заселения земли 450 миллионов лет назад», — сказал Чарльз Дельвиче, также соавтор исследования и профессор кафедры клеточной биологии и молекулярной генетики Университета Мэриленд. «Теперь, когда мы понимаем, что система одинакова для наземных растений и водорослей, мы, вероятно, можем экстраполировать результаты на другие растения».Чанг отмечает, что путь этилена — это только начало. Данные биоинформатики подтвердили наличие нескольких других генов гормонального пути у современных харофитов, и все они созрели для будущих исследований.«Мы не знаем, будут ли эти пути такими же, как пути наземных растений», как в случае с этиленом, — сказал Чанг. «Некоторые, скорее всего, будут другими, и это хорошо.
Мы получим гораздо больше знаний, чем если бы мы смотрели на обычное наземное растение, такое как кукуруза».«Если вы встанете где-нибудь на Земле, кроме, может быть, Антарктиды, и посмотрите вокруг, вы увидите пейзаж, в котором преобладают растения», — сказал Делвиче. «Эта работа помогает продвинуть наше фундаментальное понимание жизни в этом мире».