Сегодня в мире насчитывается более 500 000 видов растений. Все они произошли от общего предка. Как произошел этот скачок в биоразнообразии, до сих пор неясно. В грядущем номере журнала Nature международная группа исследователей, включающая ученых из Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг, представляет результаты уникального проекта по эволюции растений. Используя генетические данные 1147 видов, команда создала наиболее полное эволюционное дерево зеленых растений на сегодняшний день.
Историю и эволюцию растений можно проследить примерно на миллиард лет назад. Водоросли были первыми организмами, которые использовали солнечную энергию с помощью хлоропластов. Другими словами, они были первыми растительными организмами, осуществившими фотосинтез. Сегодня насчитывается более 500 000 видов растений, включая как водные, так и наземные растения. Цель нового исследования в журнале Nature состояла в том, чтобы раскрыть генетические основы этого развития. «Некоторые виды начали появляться и развиваться несколько сотен миллионов лет назад. Однако сегодня у нас есть инструменты, чтобы оглянуться назад и увидеть, что происходило в то время», - объясняет физиолог растений профессор Марсель Квинт из Института сельскохозяйственных и пищевых наук в MLU.
Квинт возглавляет подпроект с биоинформатиком профессором Иво Гроссе, также из MLU, в рамках «Инициативы тысячи транскриптомов растений», глобальной сети, объединяющей около 200 исследователей. Команда собрала образцы 1147 видов наземных растений и водорослей, чтобы проанализировать геномные экспрессии каждого организма (транскриптом). Используя эти данные, исследователи реконструировали эволюционное развитие растений и возникновение отдельных видов. Их внимание было сосредоточено на видах растений, которые еще не были изучены на этом уровне, включая многочисленные водоросли, мхи, а также цветковые растения.
«Это был особенный проект, потому что мы проанализировали не просто отдельные компоненты, а полные транскриптомы более тысячи растений, что обеспечило гораздо более широкую основу для наших выводов», - объясняет Иво Гроссе. Подпроект, возглавляемый учеными MLU, рассматривал развитие и расширение больших семейств генов у растений. «Некоторые из этих семейств генов дублировались в течение миллионов лет. Этот процесс мог стать катализатором эволюции растений: наличие значительно большего количества генетического материала могло бы раскрыть новые возможности и совершенно новые характеристики», - говорит Марсель Квинт. Одной из основных целей проекта было выявление потенциальной связи между генетическими дупликациями и ключевыми инновациями в царстве растений, такими как развитие цветов и семян. Квинт и Гроссе проводили свои исследования в сотрудничестве с учеными из университетов Марбурга, Йены и Кельна, а также Института эволюционной биологии им. Макса Планка в Плене. Большинство анализов было проведено Мартином Поршем, аспирантом лаборатории Иво Гроссе.
Исследователи использовали обширный набор данных для создания нового эволюционного дерева растений. Он показывает, что одно из наших прежних предположений об эволюции растений было неточным: «Раньше мы думали, что наибольшая генетическая экспансия произошла при переходе к цветковым растениям. Ведь в эту группу входит большинство существующих сегодня видов растений» говорит Мартин Порш. Однако новые данные показывают, что генетические основы такого расширения биоразнообразия были заложены намного раньше. «Переход от водных к наземным растениям был отправной точкой для всех дальнейших генетических разработок. Это развитие было самой большой проблемой для растений, и поэтому им требовалось больше генетических инноваций, чем когда-либо прежде», - продолжает Порш.«Мы обнаружили огромное увеличение генетического разнообразия во время этого перехода, после чего оно достигло плато. С этого времени почти весь генетический материал был доступен для стимулирования эволюционного прогресса и создания биоразнообразия, которое мы наблюдаем сегодня», - заключает он. Иво Гроссе. По мнению исследователей, основная экспансия цветковых растений началась спустя много миллионов лет, в том числе из-за отсутствия подходящих условий окружающей среды в течение длительного времени. Кроме того, поскольку эволюция не является планомерным процессом, определенные генетические возможности проявились гораздо позже или вообще не проявились.