Некоторые растения-паразиты крадут генетический материал у своих растений-хозяев и используют украденные гены, чтобы более эффективно выкачивать питательные вещества хозяина. Новое исследование, проведенное учеными из Penn State и Virginia Tech, показывает, что паразитическая повилика украла у своих хозяев большое количество генетического материала, в том числе более 100 функциональных генов. Эти украденные гены способствуют способности повилики цепляться и красть питательные вещества у хозяина и даже отправлять генетическое оружие обратно хозяину. Новое исследование опубликовано 22 июля 2019 года в журнале Nature Plants.
«Горизонтальный перенос генов, перемещение генетического материала из одного организма в геном другого вида, очень распространен среди микробов и является основным способом, которым бактерии могут приобрести устойчивость к антибиотикам», - сказал Клод де Памфилис, профессор биологии. в Penn State и старший автор исследования. «Мы не видим много примеров горизонтального переноса генов у сложных организмов, таких как растения, а когда мы его видим, переносимый генетический материал обычно не используется. В этом исследовании мы представляем наиболее драматический известный случай функционального горизонтального переноса генов перенос, когда-либо обнаруженный в сложных организмах».
Паразитические растения, такие как повилика, не могут жить сами по себе, вырабатывая энергию посредством фотосинтеза. Вместо этого они используют структуры, называемые гаусториями, чтобы использовать запасы воды и питательных веществ растения-хозяина. Повилика обвивается вокруг растения-хозяина, врастая в его сосудистую ткань, и часто питается несколькими растениями одновременно. Он может паразитировать на многих различных видах, диких растениях, а также растениях, имеющих сельскохозяйственное и садоводческое значение.
«Паразитические растения очень тесно связаны со своим хозяином, извлекая питательные вещества», - сказал де Памфилис. «Но они также получают генетический материал в процессе, и иногда они включают этот материал в свой геном. Предыдущие исследования были сосредоточены на отдельных переносимых генах. на самом деле используется горизонтальный перенос генов."
Исследовательская группа идентифицировала 108 генов, которые были добавлены в геном повилики путем горизонтального переноса генов и теперь, по-видимому, функционируют у паразита, внося свой вклад в структуру гаусторий, защитные реакции и метаболизм аминокислот. Один украденный ген даже производит небольшие сегменты РНК, известные как микроРНК, которые отправляются обратно в растение-хозяин, действуя как оружие, которое может играть роль в подавлении генов защиты хозяина.
Команда использовала строгие критерии, чтобы определить, может ли украденный генетический материал быть функциональным: гены должны были быть полной длины, они должны были содержать все необходимые части гена, они должны были быть транскрибированы в Последовательности РНК, из которых позже строятся белки, и они должны были быть экспрессированы в соответствующих структурах. Команда также исследовала эволюцию этих перенесенных генов в качестве дополнительной поддержки функциональности.
«Мы сравниваем генетическую последовательность гена с близкородственными генами и ищем особую сигнатуру в том, как развивается эта последовательность, чтобы сказать, будет ли она функциональной», - сказал де Памфилис. «Определенные виды мутаций в гене не влияют на белок, который кодирует ген, и, следовательно, не влияют на функцию гена. Когда мы видим большое количество таких мутаций, в отличие от мутаций, которые могут изменить или нарушить функцию гена, это убедительное доказательство того, что естественный отбор сохраняет белки неповрежденными и полезными».
Восемнадцать из 108 генов присутствуют у всех видов повилики, что позволяет предположить, что эти гены были первоначально украдены предковой формой повилики и сохраняются у современных видов.
«Впервые в каком-либо исследовании были обнаружены доказательства того, что горизонтальный перенос генов произошел на ранней стадии эволюции паразитической группы», - сказал де Памфилис.«В данном случае 18 из этих генов присутствовали у общего предка всех ныне живущих видов повилики, что, возможно, способствовало успешному распространению этих паразитов».
Команда также идентифицировала 42 области в геноме повилики, которые, по-видимому, являются результатом горизонтального переноса генов, но не имеют функциональных генов.
«Поскольку такое огромное количество генетического материала было получено путем горизонтального переноса генов, мы подозреваем, что растения-паразиты не могут фильтровать то, что поступает», - сказал де Памфилис. «Но естественный отбор помогает сохранять полезные гены и отфильтровывать менее полезные сегменты».
В настоящее время исследователи изучают, как именно генетический материал передается от хозяина к паразиту. Они также хотели бы выяснить, является ли этот перенос улицей с односторонним движением, или же хозяин может получить генетический материал от своего паразита.
«Мы хотели бы знать, насколько широко распространен горизонтальный перенос генов на самом деле», - сказал де Памфилис.«Мы рассмотрели только один из видов повилики, который является лишь одним из более чем 4000 видов паразитических растений. Происходит ли горизонтальный перенос функциональных генов в такой же степени у других видов? Возможен ли он у непаразитических растений? сложные организмы? Это может быть вершиной айсберга."
В дополнение к dePamphilis в исследовательскую группу входят первый автор Чжэньчжэнь Ян, аспирант программы для аспирантов по биологии растений в Пенсильвании на момент исследования, а также исследователи из Пенсильвании Эрик Вафула, Сайма Шахид, Паула Ральф, Пракаш Тимилсина, Вен-бин Ю, Элизабет Келли, Хуитин Чжан, Томас Нейт Персон, Наоми Альтман и Михал Акстелл; Джоэл Макнил из Университета штата Кеннесо; и исследователи Технологического института Вирджинии Ганджун Ким и соавтор Джеймс Вествуд. Эта работа частично финансировалась Национальным научным фондом США и Министерством сельского хозяйства. Дополнительную поддержку оказали Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства, Департамент биологии штата Пенсильвания и Институт естественных наук штата Пенсильвания.