Хотя его можно найти по всему миру, легко не заметить обыкновенный печеночник - растение может поместиться на ладони и, кажется, состоит из плоских, перекрывающихся листьев. Несмотря на свой невзрачный вид, эти растения без корней и сосудистых тканей для транспорта питательных веществ являются живыми звеньями перехода от водорослей, выбравшихся из океана, к установившемуся множеству наземных растений.
Как сообщалось в выпуске журнала Cell от 5 октября 2017 года, международная группа, в которую вошли исследователи из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI), исследовательского центра Министерства энергетики США, проанализировала последовательность генома печеночника обыкновенного (Marchantia polymorpha) для выявления генов и семейств генов, которые считались решающими для эволюции растений и сохранялись на протяжении миллионов лет и в различных линиях растений. Работу возглавили исследователи из Университета Монаш в Австралии, Киотского университета и Университета Киндай в Японии.
«Ранние растения, такие как печеночница, - это то, что создало мир для наземных растений. Без них у нас не было бы растений на расстоянии более двух футов от океана и пресной воды», - сказал руководитель программы JGI Plant Program Министерства энергетики США Джереми Шмутц. «Возвращаясь к печеночникам, мы находим гены, общие с травами, которые являются генами-кандидатами для сельскохозяйственных культур для производства биотоплива. Наземные растения начинались с тех же частей, которые сегодня присутствуют в Marchantia, поэтому все изменения связаны с такими факторами, как эволюция, полиплоидия, обмен генами и раунды отбора. Мы хотим знать, что делают гены, и мы делаем это, транслируя функции между геномами, используя консервативные последовательности. Меньшие по размеру геномы с меньшей сложностью - такие, как в базовой или ранней модели растений, таких как печеночники, - дают нам возможность идентифицировать наследственные гены для гена или семейства генов. Мы идентифицируем функцию гена в растении и определяем, как работает этот ген, а затем мы идентифицируем другие гены, понимая эволюционную историю гена или семейства генов в истории растений».
Секвенирование и аннотация генома были выполнены в рамках Программы научных исследований Министерства энергетики JGI и позволяют проводить геномные сравнения с другими ранними линиями растений, секвенированными и проанализированными JGI Министерства энергетики: колосовидным мхом Selaginella moellendorffi и мхом Physcomitrella patens. Один из наиболее важных биохимических путей связан с производством гормона ауксина, который имеет решающее значение для регуляции роста и развития растений. Команда определила минимальный, но полный путь биосинтеза ауксина в печеночнике. Другое открытие предполагает, что гены, кодирующие ферменты, производящие «солнцезащитный фильтр», который позволил ранним растениям выдерживать ультрафиолетовое излучение, могли быть перенесены от древних почвенных микробов.
Один из наиболее важных выводов команды касается развития клеточной стенки растений. Разнообразие генов, кодирующих ферменты развития клеточных стенок растений, обнаруженных у Marchantia, подчеркивает важность клеточных стенок растений для перехода к наземным растениям. Команда идентифицировала ранние гены биосинтеза лигнина, подобные генам Physcomitrella. Хотя они идентифицировали гены, участвующие в формировании плазмодесм (плазмодесмы - это мембранные каналы, участвующие в переносе питательных веществ и сигнальных молекул) пути, который участвует в делении клеток, они также обнаружили, что печеночники сохраняют остатки путей деления клеток, предшествующих пути, специфичному для наземных растений.
Еще одно важное открытие связано с задержкой и распределением воды. Ранним растениям приходилось разрабатывать стратегии борьбы с засухой и высыханием, и многие из этих стратегий до сих пор используются современными растениями. Абсцизовая кислота является гормоном стресса для растений, который регулирует переход растения в состояние покоя при нехватке воды. Команда обнаружила гомологичные гены биосинтеза абсцизовой кислоты, а также смогла определить, когда определенные рецепторы стали критически важными для семейств наземных растений.
Шмутц отметил, что в рамках Программы общественных наук исследования JGI Министерства энергетики США по истории эволюции растений расширяются, что приводит к разработке сравнительной геномной основы, в том числе из ранних линий растений, таких как печеночники, которые приносят пользу растению. исследовательское сообщество в целом. «Чем больше мы накапливаем эту информацию в ранних линиях растений, тем легче будет передавать функции растений через филогению растений и сравнивать семейства растений, чтобы увидеть излучение этих генов. Мы будем уделять немного больше внимания базальным линиям растений. чтобы добраться до эволюционной истории и положения генов. Если мы сможем понять происхождение этих генов, мы сможем понять историческую функцию. Наличие нескольких видов позволяет нам делать больше и показывать больше, чем мы можем с помощью всего лишь одного генома».
Изучая исходные функции генов, выясненные из геномов более ранних, более простых растений и клеток, ученые могут легче определить функции родственных генов, наблюдаемых в более сложных растениях, что может помочь решить задачи Министерства энергетики США в области биоэнергетики. и экологические процессы.