Геном древовидного папоротника дает представление о его эволюции

Наземные растения произошли 470 миллионов лет назад от водорослей и с тех пор изменили наш мир. На протяжении своей и папоротники претерпели ряд изменений, которые помогли им выжить на суше. Исследователи впервые охарактеризовали расположение генома древовидных папоротников, что проливает новый свет на то, как папоротники эволюционировали.


Важным событием в эволюции наземных растений стало изобретение их сосудистой системы, которая помогает им проводить воду, питательные вещества и пищу по всему телу. Эти системы состоят из двух тканей: ксилемы и флоэмы. В то время как ксилема обеспечивает транспортировку воды к стеблям и листьям, флоэма помогает транспортировать сахара, полученные в результате фотосинтеза, к остальной части растения. Кроме того, только клетки ксилемы выстланы лигнином — вспомогательным конструкционным материалом, придающим жесткость древесине и коре. Исследователи хотели понять, как эти сосудистые системы развивались у папоротников и как производится лигнин.

«Папоротники — самые ранние сосудистые растения, и одревесневшие клеточные стенки были ключевым нововведением в ходе эволюции этих растений», — сказал Рэй Мин (GEGC), профессор биологии растений. «Это исследование улучшило наше понимание того, как развивались сосудистые ткани у папоротников и других видов наземных растений».

Для этого исследования исследователи секвенировали геном древовидного папоротника летающих пауков-обезьян. Такжефила шиповидная и исследовал, как устроены его сосудистые ткани. Они обнаружили, что два гена Mac-домена, связанные с сосудами, были сильно экспрессированы в ксилеме по сравнению с другими тканями, что указывает на то, что они могут быть ключевыми регуляторами в формировании ксилемо-специфических клеток.

Используя микроскопию и биохимические методы, исследователи также измерили уровни лигнина и вторичных метаболитов — соединений, которые не требуются для роста или размножения, но приносят определенные преимущества — в папоротниках. Они обнаружили, что лигнин составляет 40% стенки стволовой клетки. Для сравнения, древесина обычно содержит 25%. Они также обнаружили новый вторичный метаболит, в первую очередь образующийся в ксилеме, который они назвали «алсофилин».

«Это новое соединение широко распространено в ксилеме, вероятно, как одно из соединений, заполняющих полость нефункциональных клеток трахеид. Мы также идентифицировали гены, участвующие в биосинтезе такжефилина в геноме», — сказал Мин.

Чтобы понять, как эволюционировали папоротники, исследователи сравнили геномную последовательность А. шиповидная другим представителям того же вида в девяти местах Китая. К своему удивлению, они обнаружили, что существует шесть отдельных популяций, различающихся по своим геномным последовательностям. Основываясь на результатах секвенирования, исследователи реконструировали историю популяции папоротников и увидели, что два раза эти виды подвергались резкому сокращению численности. Первый произошел 35,6—34,5 млн лет назад, второй — 2,5—0,7 млн ​​лет назад.

«Этот анализ геномов и состава лигнина из более широкой коллекции папоротников поможет нам понять роль лигнина в ранней линии сосудистых растений», — сказал Мин. «В наших будущих исследованиях мы надеемся увеличить количество мест и размеры выборки для геномного анализа».

Биохимический анализ был выполнен в сотрудничестве с группой Цюаньзи Ли в Государственной ключевой лаборатории генетики и селекции деревьев, Пекин, Китай.