Zidentyfikowano dwa krytyczne geny roślin, które skolonizowały Ziemię 470 milionów lat temu

Naukowcy rzucili nowe światło na pochodzenie życia roślinnego na Ziemi

badacze z Uniwersytet w Kopenhadze Rzuciła nowe światło na to, jak na powierzchni naszej planety powstało życie roślinne. W szczególności wykazali, że dwa geny są niezbędne roślinom lądowym do ochrony przed atakiem grzybów – mechanizmem obronnym sprzed 470 milionów lat. Jest prawdopodobne, że te mechanizmy obronne utorowały drogę dla wszystkich roślin lądowych.

Mads Eggert Nielsen, biolog z Uniwersytetu w Kopenhadze.

Rośliny wyewoluowały z alg wodnych do zdolności przetrwania na Ziemi prawie pół miliarda lat temu, kładąc podwaliny pod życie na Ziemi. Jedną z przeszkód, która tak bardzo utrudniła tę dramatyczną przemianę, były grzyby:

Szacuje się, że 100 milionów lat temu grzyby pełzały po powierzchni Ziemi w poszukiwaniu pożywienia, najprawdopodobniej znajdowanego w martwych algach wyrzucanych z morza. Tak więc, jeśli jako nowa roślina zamierzasz osiedlić się na Ziemi, a pierwszą rzeczą, którą napotkasz, jest grzyb, który cię zjada, potrzebujesz pewnego rodzaju mechanizmu obronnego” – mówi Mads Eggert Nielsen, biolog z Departamentu Nauk o Roślinach i Środowisku na Uniwersytecie w Kopenhadze.

Według Madsa Eggerta Nielsena i kolegów z Wydziału Nauk o Roślinach i Środowisku oraz Uniwersytetu Paris-Sclay, rdzeń tego mechanizmu obronnego można zawęzić do dwóch genów, PEN1 i SYP122. Razem pomagają tworzyć rodzaj składnika w roślinach, który zapobiega inwazji grzybów i organizmów grzybopodobnych.

„Odkryliśmy, że jeśli zniszczymy te dwa geny w naszym modelu Arabidopsis, otworzymy drzwi dla penetracji grzybów chorobotwórczych. Odkryliśmy, że są one niezbędne do tworzenia tego korka przypominającego ścianę komórkową, który chroni przed grzybami. Co ciekawe, wydaje się, że jest to uniwersalny mechanizm obronny występujący we wszystkich roślinach lądowych” – mówi Mads Eggert Nielsen, starszy autor badania, które zostało opublikowane w czasopiśmie Science. e-życie.

Dorastałem w fabryce mającej 470 milionów lat

Zespół badawczy przetestował tę samą funkcję w wątrobianie, bezpośrednim potomku jednej z pierwszych roślin lądowych na Ziemi. Pobierając dwa pasujące geny z wątrobowca i wstawiając je do rzeżuchy, naukowcy zbadali, czy mogą określić ten sam efekt. Odpowiedź brzmiała tak.

Eksperymenty z modelem Arabidopsis Źródło: Mads Eggert Nielsen

„Chociaż dwie rodziny roślin, do których Arabidopsis i wątrobowiec ewoluowały w różnych kierunkach 450 milionów lat temu, nadal dzielą funkcje genetyczne. Wierzymy, że ta rodzina genów powstała w wyjątkowym celu zarządzania tym mechanizmem obronnym, a zatem była jednym Kto założył rośliny, aby osiedlić się na ziemi”, mówi Mads Eggert Nielsen.

Współistnienie roślin i grzybów

Chociaż grzyby były przeszkodą dla roślin w ich przejściu z alg morskich do roślin lądowych, były również warunkiem wstępnym. Mads Eggert Nielsen wyjaśnia, że ​​gdy rośliny były w stanie przetrwać ataki grzybów próbujących je zjeść na Ziemi, następnym problemem, z jakim się zmierzyły, było znalezienie składników odżywczych:

Rośliny w środowisku wodnym mają łatwy dostęp do rozpuszczonych składników odżywczych, takich jak fosfor i azot. Ale 500 milionów lat temu gleba, jaką znamy dzisiaj, nie istniała – tylko skały. Substancje odżywcze związane ze skałami są niezwykle trudne do pozyskania dla roślin. Ale nie na grzyby. Z drugiej strony grzyby nie potrafią wytwarzać węglowodanów – dlatego zjadają rośliny. Uważa się, że w tym miejscu powstał symbiotyczny związek między roślinami a grzybami, który później stał się podstawą eksplozji ziemskiego życia roślinnego w tym okresie”.

Struktury obronne, które tworzą się w roślinie, nie zabijają rośliny ani grzyba, po prostu zapobiegają inwazji grzyba.

„Ponieważ grzyby mogą uzyskać tylko częściowe wejście do rośliny, uważamy, że następuje punkt krytyczny, w którym zarówno roślina, jak i grzyb mają coś do zyskania. Dlatego pomocne było utrzymanie takiej relacji. Teoria, że ​​rośliny oswajają grzyby do kolonizacji ziemia Nie nasza, ale dostarczamy paszę, która wspiera tę ideę”, mówi Mads Eggert Nielsen.

Może być stosowany w rolnictwie

Nowe odkrycia dodają ważny element do układanki historii ewolucyjnej roślin. Co ważniejsze, mogą być wykorzystywane do uodparniania upraw na ataki grzybów, co jest dużym problemem dla rolników.

„Jeżeli wszystkie rośliny bronią się w ten sam sposób, powinno to oznaczać, że mikroorganizmy zdolne do wywoływania chorób – takie jak mączniak prawdziwy, rdza żółta i zgnilizna ziemniaków – znalazły sposób na infiltrację, zatrzymanie lub ominięcie obrony swoich roślin żywicielskich. chcą wiedzieć, jak oni to robią. Następnie spróbujemy przenieść elementy obronne z roślin odpornych na rośliny, które zarażają się chorobą, a tym samym osiągnąć odporność” – mówi Mads Eggert Nielsen.

Mads Eggert Nielsen uczestniczy w projekcie badawczym w Departamencie Nauk Botanicznych i Środowiskowych prowadzonym przez Hansa Thordal-Christensena i wspieranym przez Fundację Novo Nordisk, który koncentruje się na zwiększaniu odporności upraw poprzez identyfikację mechanizmów obronnych roślin, których próbują mikroorganizmy chorobotwórcze adresować. blisko.

Dodatkowe fakty

Naukowcy od dawna zakładali, że geny PEN1 i SYP122 pełniły specjalną funkcję w zakresie przechodzenia roślin z fazy wodnej jako glonów do roślin lądowych, ale nie ma konkretnych dowodów na to, czy rzeczywiście są one warunkiem wstępnym dla roślin. zdolności obronne.

Wcześniejsze badania wykazały, że niszcząc gen PEN1 rośliny tracą zdolność do obrony przed mączniakiem. Jednak kiedy blisko spokrewniony gen, SYP122, zostanie zniszczony, nic się nie dzieje. Nowe wyniki badań pokazują, że oba geny razem stanowią ważny klucz w mechanizmie obronnym rośliny.

Odniesienie: „Struktury roślin SYP12 pośredniczą w ewolucyjnie zachowanej ogólnej odporności na patogeny nicieni” Hector M Rubiato, Mingqi Liu, Richard J O’Connell i Mads E. Nielsen, 4 lutego 2022 r., Dostępne tutaj. e-życie.
DOI: 10.7554 / eLife.73487