Исследователи из Корнелльского университета секвенировали и проанализировали геном одноклеточной водоросли, которая относится к ближайшей к наземным растениям эволюционной линии, поэтому её строение может многое рассказать о том, как водные растения стали заселять сушу.
Недавно в журнале Cell опубликован отчёт об исследовании «Геном водоросли Penium margaritaceum: вехи происхождения наземных растений».
Penium margaritaceum принадлежит к отделу пресноводных водорослей-харофитов, классу сцеплянок (Zygnematophyceae), у которых с первыми наземными растениями, произраставшими около 600 миллионов лет назад, был общий предок. Чтобы совершить переход из воды на сушу, растения должны были защищать себя от ультрафиолетового излучения и опасности высыхания. Также нужно было развить органы, которые поддерживали бы растение на земле в условиях отсутствия плавучести. Как это происходило, учёным пока не вполне понятно.
Исследователи обнаружили свидетельства наличия всех этих адаптаций в геноме водоросли Penium. Теперь они смогут детальнее изучить, какие генетические механизмы были необходимы ранним наземным растениям для адаптации, выявлять происхождение молекулярных путей, систем развития и биологических процессов наземных растений.
Хотя некоторые водоросли из отдела харофитов имеют «ветвистый» вид и выглядят как ранние наземные растения, молекулярные данные показывают, что общий предок имел более простую волокнистую форму.
«Нас очень интересует, почему такая простая форма тела оказалась эволюционно выгодной, — рассказала Роуз. — Penium живёт на берегах пресных водоёмов, в климате которых есть периоды засухи и регидратации. Это, вероятно, стало ключевым фактором».
Геном водоросли Penium содержит много повторяющихся и «мусорных» фрагментов ДНК, и это было проблемой для исследователей. Чтобы описать весь геном, они извлекали ДНК из очищенных клеточных ядер, использовали различные методы секвенирования, а затем и программы сборки. Они также секвенировенировали транскриптом, чтобы разобраться, какие гены включались и выключались различными стрессами.
Транскриптом — совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой или группой клеток, включая мРНК и некодирующие РНК. Понятие «транскриптом» может обозначать полный набор транскриптов в данном организме или специфический набор транскриптов (молекул РНК), представленный в клетках определённого типа. В отличие от генома, который, как правило, одинаков для всех клеток одной линии, транскриптом может сильно меняться в зависимости от условий окружающей среды.
«Мы обнаружили, что геном огромен», — говорит Чжанцзюнь Фэй (Zhangjun Fei), профессор биоинформатики в Институте Бойса Томпсона (Boyce Thompson Institute) в Итаке. Геном этой крошечной одноклеточной водоросли даже больше, чем общеизвестно большой геном кукурузы или геном человека. Одним из важных результатов было понимание, что эти водоросли содержали флавоноиды, химические вещества, способные защитить от ультрафиолетового излучения. Ранее считалось, что эти соединения существуют только у наземных растений. Учёные также описали пути биосинтеза флавоноидов у этих водорослей.
Исследователи также выявили гены, вовлечённые в регуляторные системы и передачу гормональных сигналов, наличие которых было ранее известно только у наземных растений, а также механизмы, препятствующие высыханию растений, включая образование слизи. Они также обнаружили большое количество генов, способствующих биосинтезу и реорганизации клеточной стенки, необходимых для структурной поддержки растения.
Это всего лишь одноклеточное растение, но у него — множество семейств белков, играющих роль в построении клеточной стенки. Может быть, у этих водорослей был такой же сложный контроль структуры, динамики и биомеханических свойств стенок, как и у многоклеточных наземных растений.
Исследователи считают, что детальное знакомство с геномом Penium открывает новые возможности для исследования во многих областях биологии растений, в том числе в области модификации современных растений, производимых промышленным образом. Команда планирует исследовать геномы других видов харофитов.
Подготовка материала: Александра «Renoire» Алексеева