В поисках происхождения универсального гормона ауксина в растениях биохимики и биоинформатики из Вагенингена приняли мантию археологов. Глубоко в эволюционной истории растительной жизни на Земле, около миллиарда лет назад, они наткнулись на фрагменты белков, которые в то время уже были связаны с растительным гормоном. Путь открытий раскрывает информацию, которая дает ученым возможность понять эволюцию и создает возможности для селекционеров растений и перспективы для производителей. Исследовательская группа опубликовала свои выводы в ведущем онлайн-журнале eLife 27 марта.
Растение быстрее всего растет вверху, дает боковые побеги и корни, листья, поворачивающиеся к свету, цветы и плоды во всех их формах. Эти процессы инициируются растительным гормоном ауксином. Ауксин присутствует в различных концентрациях в клетках и тканях. Это делает его одной из самых сложных биохимических систем, определяющих рост растений. «Удивительно, как в такой сложной системе развилось столько процессов, подобных тем, которые мы наблюдаем в цветочных растениях», - говорит руководитель исследования профессор Дольф Вейерс, профессор биохимии в Вагенингенском университете и исследованиях. «Это включает в себя деление клеток, рост клеток и дифференцировку в различные типы клеток, такие как побеги, листья или плоды. Большая загадка заключается в том, как все эти реакции стали возможными благодаря этой древней молекуле и как возникла такая сложная система.
Тысяча видов растений
Кандидат PhD Сумант Мутте, член команды Дольфа Вейерса, изучил геном более тысячи видов растений. Он выбрал виды, которые все еще живы, но имеют разную эволюционную историю жизни. Сюда входят «современные» цветковые растения, отделившиеся 320 миллионов лет назад и обладающие теперь очень сложной ауксиновой системой: более старые типы семенных растений, такие как хвойные, и споровые растения, такие как папоротники и более ранние мхи, которым более полумиллиарда лет. лет. Древнейшей формой жизни, изученной на наличие ауксина, были одноклеточные зеленые водоросли, существовавшие в глубоком прошлом миллиард лет назад.
Три ранних семейства белков
«За этот невероятно долгий период в растительных клетках произошло очень многое», - объясняет профессор Вейерс. «Например, многие геномы удвоились или учетверились». Это привело к тому, что большое количество различных белков получили роль в растении. Система ауксинов в том виде, в каком мы ее знаем, была завершена уже полмиллиарда лет назад, когда появились первые наземные растения. К нашему большому удивлению, мы увидели, что из трех семейств белков, опосредующих функции ауксинов, одно уже присутствует в зеленых водорослях. Копнув еще глубже, миллиард лет назад, когда жизнь еще не появилась из воды, наши поиски привели нас к фрагментам трех белковых семейств. Мы все еще находим их в современных растениях, но они произошли от зеленых водорослей и, вероятно, сначала выполняли другую функцию.
Экспериментальная археология генома
Постдокторский исследователь Хиротака Като впоследствии подтвердил результаты, выполнив «экспериментальную геномную археологию» с растениями трех разных эпох: водорослями, мхами и папоротниками. Исследователь изучил, как эти геномы реагируют на ауксин, например, определив количество генов, которые включаются или выключаются гормоном. «Это показывает нам, как ауксиновая система стала более сложной, и какие компоненты растения могут модифицировать, чтобы использовать гормон для новых процессов, регулирующих его рост и форму», - объясняет профессор Вейерс.
Больше знаний об основной функции ауксина само по себе важно для наук о жизни: как растения функционируют на различных уровнях, от клеток до органов и в целом. Эти знания могут быть воплощены в программах селекции для выведения новых сортов продовольственных культур. «Получение более четкого понимания того, как растение контролирует свой собственный рост и развитие, позволяет селекционеру, а затем и растениеводу получать более здоровый и качественный урожай».
Исследование проводилось в рамках гранта Vici от NWO, национальной схемы индивидуального финансирования.