Растение-паразит нашло способ обойти эволюционную гонку вооружений с растениями-хозяевами, у которых оно крадет питательные вещества, что позволяет паразиту процветать на различных важных для сельского хозяйства растениях. Повилика-паразит, сельскохозяйственный вредитель, обитающий на всех континентах, посылает генетический материал своему хозяину, чтобы отключить гены защиты хозяина.
Согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Университета штата Пенсильвания, повилика нацеливается на гены хозяина, которые эволюционно законсервированы, и посылает множество слегка отличающихся версий своего генетического оружия для обеспечения эффективности. Эта стратегия, описанная в статье, опубликованной в журнале eLife 17 декабря 2019 г., ограничивает возможность хоста отвечать.
Вместо того, чтобы вырабатывать собственную энергию посредством фотосинтеза, повилика обвивается вокруг растения-хозяина, используя специальные структуры для откачивания воды и питательных веществ. Повилика может паразитировать на различных видах, в том числе на некоторых, имеющих сельскохозяйственное значение, таких как помидоры, а ее плотная структура, напоминающая виноградную лозу, может мешать уборочной технике. Исследовательская группа, возглавляемая профессором биологии штата Пенсильвания Майклом Акстеллом, ранее определила, что повилика отправляет микроРНК - короткие сегменты нуклеиновых кислот, последовательность которых соответствует сегменту гена-хозяина - своему хозяину. Связывание с информационными РНК хозяина, кодирующими белок, предотвращает образование белков хозяина.
«Если бы этот процесс был вреден для растения-хозяина, мы бы ожидали, что целевые гены хозяина со временем изменятся из-за естественного отбора или даже из-за случайности», - сказал Акстелл.«Такого рода процесс часто приводит к тому, что мы называем эволюционной гонкой вооружений, когда хозяин и паразит слегка меняют последовательность своих генов, чтобы повысить ставки. Мы хотели знать, так ли это на самом деле».
Исследовательская группа идентифицировала микроРНК, участвующие в этой межвидовой регуляции генов у четырех различных видов повилики. Удивительно, но микроРНК часто уникальны от вида к виду и даже от растения к растению. Команда сгруппировала микроРНК, которые имеют некоторое сходство последовательностей, примерно в 18 «суперсемейств» из трех-пяти микроРНК в каждом.
Затем исследователи изучили цели этих суперсемейств у ряда видов-хозяев и обнаружили, что целевые гены высококонсервативны, а это означает, что они, как правило, очень похожи между видами и не сильно меняются с течением времени. Это часто имеет место в генах, которые кодируют важные белки, потому что любые эволюционные изменения в этих генах могут нарушить их функцию.
«Целевые аминокислоты являются наиболее консервативными аминокислотами в белковой цепи», - сказал Натан Джонсон, аспирант биологии растений в Пенсильванском университете и первый автор статьи. «Поэтому мы предполагаем, что последовательность не может измениться. либо из-за естественного отбора, либо из-за разрыва белка. Поскольку хозяин не может изменить свою последовательность без негативного влияния на свою собственную функцию, паразит полностью избегает гонки вооружений на генетическом уровне».
Исследователи обнаружили, что там, где были вариации внутри суперсемейства микроРНК, они идеально соответствовали вариациям в генах-мишенях хозяина. Аминокислоты в белке кодируются набором из трех нуклеиновых кислот, третья из которых часто может быть изменена, не затрагивая полученную аминокислоту. Там, где наблюдались вариации в последовательности хозяина и соответствующих микроРНК, они обычно происходили в этой третьей позиции.
«Похоже, что повилика создает несколько итераций своей микроРНК, чтобы учесть естественные вариации в целевых генах хозяина», - сказал Джонсон.«Эта стратегия дробовика, вероятно, также помогает паразиту успешно бороться с широким спектром видов-хозяев».
В дальнейшем исследователи надеются изучить эволюционное происхождение этих микроРНК, а также клеточные и молекулярные механизмы их доставки от паразита к хозяину.
«МикроРНК в этих суперсемействах подверглись естественному отбору, чтобы нацелиться на эти консервативные сайты», - сказал Экстелл. «Мы смотрим на ножи, которые уже заточены, но каково их происхождение? В прошлом проводились исследования межвидовой регуляции генов с помощью малых РНК, но это первое свидетельство того, что эти процессы подвержены естественным выбор."