Среднему травоядному человеку мысль о том, что растение меняет столы, чтобы полакомиться животным, может показаться зловещей новинкой.
Теперь наука показывает, насколько замечательны эти жуткие черты на самом деле.
Новое исследование исследует происхождение плотоядности у нескольких отдаленно родственных растений, включая австралийские, азиатские и американские растения-кувшины, которые поразительно похожи на человеческий (или насекомый) глаз. Хотя каждый вид развил плотоядность независимо, исследование пришло к выводу, что биологический механизм, необходимый для переваривания насекомых, развивался поразительно схожим образом у всех трех видов.
Выводы намекают на то, что для растений эволюционные пути к плотоядности могут быть очень редкими.
«Это говорит о том, что есть лишь ограниченные пути превращения в плотоядное растение», - говорит биолог из Университета Буффало Виктор А. Альберт. «У этих растений есть набор генетических инструментов, и они пытаются найти ответ на вопрос, как стать плотоядными. И, в конце концов, все они приходят к одному и тому же решению».
Исследование «Геном растения-кувшина Cephalotus раскрывает генетические изменения, связанные с хищничеством», которое будет опубликовано 6 февраля 2017 года в журнале Nature Ecology and Evolution. Его провела международная группа под руководством Мицуясу Хасебе, доктора философии, из Национального института фундаментальной биологии в Японии и SOKENDAI (Высшего университета повышения квалификации) в Японии; Кенджи Фукусима, доктор философии, из тех же учреждений и Медицинской школы Университета Колорадо; Шуайчэн Ли, доктор философии, BGI-Shenzhen в Китае; и Альберт, доктор философии, профессор биологических наук в Колледже искусств и наук UB.
Как стать кувшинным растением: узкая эволюционная дорога
Кувшинчики ловят насекомых, заманивая их в ловушку-ловушку - чашевидный лист с восковой, скользкой внутренней частью, из которой трудно вылезти. Суп из пищеварительных жидкостей находится на дне этой камеры и разрушает плоть и экзоскелеты добычи.
Австралийские, азиатские и американские растения-кувшины обладают этими свойствами, несмотря на то, что эволюционировали независимо, чтобы стать плотоядными, как обнаружили Альберт и его коллеги в исследовании 1992 года, опубликованном в журнале Science.
Новая статья основана на этой старой работе, проводя более глубокое исследование того, как неродственные кувшинные растения имеют так много общего.
Как оказалось, путь к плотоядности был поразительно похож для трех исследованных видов - Cephalotus follicularis (австралийский кувшин, связанный с звездчаткой), Nepenthes alata (азиатский кувшин, связанный с гречихой) и Sarracenia purpurea. (американское растение-кувшин, родственное киви). Генетический анализ, включавший секвенирование всего генома Cephalotus, обнаружил убедительные доказательства того, что в процессе эволюции в плотоядных каждое из этих растений использовало множество одних и тех же древних белков для создания ферментов для переваривания добычи.
Со временем у всех трех видов семейства растительных белков, которые первоначально помогали в самозащите от болезней и других стрессов, превратились в пищеварительные ферменты, которые мы наблюдаем сегодня, свидетельствуют генетические подсказки. Эти ферменты включают базовую хитиназу, которая расщепляет хитин - основной компонент твердого внешнего экзоскелета насекомых - и пурпурную кислую фосфатазу, которая позволяет растениям получать фосфор, критически важное питательное вещество, из частей тела жертвы.
Ферменты четвертого хищного вида, росянки Drosera adelae, родственника непентеса, который не является кувшинным растением, также, по-видимому, разделили этот эволюционный путь.
'Ограничения доступных маршрутов' к плотоядности
Выводы представляют собой пример конвергентной эволюции, при которой неродственные виды эволюционируют независимо, чтобы приобрести сходные черты, говорят соавторы Хасебе и Фукусима.
«Такое параллельное развитие часто указывает на особенно ценную адаптацию», - говорит Хасебе.
Как объясняет Фукусима, «плотоядные растения часто живут в бедной питательными веществами среде, поэтому способность ловить и переваривать животных может быть незаменима, учитывая нехватку других источников питания».
Поразительно, что исследованные растения прошли такой же путь, чтобы стать хищниками, говорят соавторы. Конвергентная эволюция часто работает таким образом: например, Альберт и его коллеги показали в предыдущем исследовании, что, хотя растения кофе и шоколада вырабатывали кофеин независимо друг от друга, они кооптировали близкородственные белки для производства кофеина..
Результаты нового исследования «подразумевают ограничения на доступные пути эволюции плотоядных растений», пишут авторы в Nature Ecology and Evolution. Эта перспектива подчеркивается необычным сходством пищеварительных ферментов растений Cephalotus и Nepenthes.
В ходе эволюции строительные блоки ферментов, называемые аминокислотами, часто заменяются другими аминокислотами. У C. follicularis и N. alata основные хитиназы и пурпурные кислые фосфатазы имеют множество идентичных или очень похожих аминокислотных замен, которые не встречаются у не плотоядных видов, что позволяет предположить, что эти изменения могут помочь этим ферментам функционировать особыми плотоядными способами.
Аналогично фермент РНКаза T2, который расщепляет материал, называемый РНК, в клетках насекомых для производства пищи для растений, имел множественные эволюционно конвергентные аминокислотные замены у C. follicularis и общего предка N. alata и D. адела.