500 миллионов лет назад первые растения, живущие в воде, вышли на сушу. Генетические адаптации, связанные с этим переходом, уже можно распознать в геноме Chara braunii, вида пресноводных водорослей. Об этом сообщает международная исследовательская группа во главе с марбургским биологом Стефаном Ренсингом в журнале Cell.
Райнер Хедрих и Дирк Беккер из Вюрцбургского университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Баварии, Германия, также являются членами этой команды. «Гены водоросли Chara braunii включают в себя многочисленные эволюционные инновации, которые до сих пор приписывались только наземным растениям», - объясняет профессор Хедрич; он возглавляет кафедру молекулярной физиологии растений и биофизики JMU.
Гормон стресса - абсцизовая кислота (АБК) - одна из таких инноваций. Это заставляет наземные растения переключаться в режим экономии воды в засушливых условиях. У водных растений эта функция избыточна. Тем не менее, согласно Хедриху, эти ранние этапы синтеза АБК уже включены в гены водорослей Chara braunii. Соответствующие гормональные рецепторы, напротив, нигде не найдены.
Отсутствуют специфические переносчики калия
Chara braunii - это высокоразвитый вид водорослей, напоминающий наземное растение. Среди прочего, он имеет корневидные структуры, которые прикрепляют растение к прибрежному субстрату. Неизвестно, поглощают ли корни водорослей какие-либо питательные вещества, как их наземные аналоги. Водоросль постоянно окружена водой, содержащей питательные соли, и имеет возможность поглощать жизненно важные вещества практически каждой клеткой своего тела.
«Большинство генов, которые играют роль в поглощении и распределении питательных веществ, также находятся в геноме Chara braunii», - говорит профессор Дирк Беккер. Напротив, переносчики калия с высоким сродством, которые существуют в корнях наземных растений, еще не обнаружены у Chara: «Это может означать, что калий легче доступен в воде, чем в почве».
Клетки водорослей передают электрические сигналы
В дополнение к примитивному корню водоросли имеют растительную архитектуру с междоузлиями и узлами, несущими листовидные структуры. Междоузлия могут находиться на расстоянии до 20 сантиметров друг от друга и обладают особой особенностью: эти гигантские клетки излучают электрические сигналы и движутся вперед вдоль тела водоросли.
«По этой причине Chara braunii используется в качестве модели для исследования электрической возбудимости растительных клеток с 1950-х годов», - объясняет Хедрич. «Поскольку ее клетки запускают потенциалы действия после тактильной или световой стимуляции, водоросль также называют «зеленым аксоном»». Аксон - это длинная нитевидная часть нервных клеток человека и животных, по которой проводятся электрические импульсы.
Команда Хедрича теперь хочет использовать расшифрованный геном Chara braunii, чтобы изучить, какие ионные каналы в водорослях ответственны за потенциалы действия. У наземных растений каналы глутаматных рецепторов играют решающую роль в передаче электрических сигналов на большие расстояния. Однако эти рецепторы отсутствуют в геноме Chara. Так что ученым еще предстоит решить ряд вопросов, касающихся эволюционного происхождения электрической возбудимости у растений.