Международная исследовательская группа обнаружила биохимический путь, отвечающий за развитие кутикулы мха. Эти восковые покрытия эпидермальных клеток являются внешним слоем растений и защищают их от потери воды. Этот механизм, облегчавший эволюционный переход растений от пресноводных к наземным, биологи обнаружили у мха Physcomitrella patens. Группу возглавляли профессор Ральф Рески из Университета Фрайбурга/Германия и доктор Даниэль Верк-Райххарт из Национального центра научных исследований (CNRS) Института молекулярной биологии растений (IBMP) в Страсбурге/Франция. журнал Nature Communications.
Кутикулы растений появились более 450 миллионов лет назад, когда первые растения колонизировали до сих пор враждебные массивы суши. Поскольку восковые кутикулы защищают от потери воды, они способствовали распространению растений на суше и последующей эволюции наших сложных экосистем. Семенные растения, появившиеся позже, используют аналогичные химические реакции для образования биополимеров лигнина, кутина и суберина. Особенно лигнификация клеточных стенок способствует образованию древесины и помогает деревьям вырасти на несколько метров в высоту. Напротив, мхи не содержат лигнина и имеют крошечные размеры. Оставалось неизвестным, какой биохимический путь способствует образованию защитного слоя на клетках мха.
Исследователи теперь обнаружили, что фермент CYP98 из семейства цитохромов P450 играет решающую роль: хотя он инициирует выработку лигнина в семенных растениях, он отвечает за развитие обогащенной фенолом кутикулы у Physcomitrella. Когда они выключили ген, отвечающий за синтез этого фермента, мох развился без кутикулы. В результате эти моховые растения не были защищены от внешней среды и, тем более, не могли образовывать сложные ткани: развивающиеся органы сливались, и их дальнейшее развитие приостанавливалось. Исследователи могли компенсировать этот генетический дефект, подкармливая растения кофейной кислотой, которую они определили как основной компонент фенольного метаболизма мхов. Биологи заключают, что кутикула мха предшествовала эволюции лигнина, кутина и суберина и, следовательно, может происходить от последнего общего предка мхов и семенных растений - доисторических растений, которые покинули пресную воду, чтобы жить на скалах и, таким образом, заложили основу для развитие всех современных экосистем на материке.
«Наши результаты показывают одну из самых ранних эволюционных инноваций, которая помогла первым растениям выжить на суше более 450 миллионов лет назад», - объясняет Рески. «Это также предлагает новые биотехнологические стратегии для создания биополимеров в растениях, помимо хорошо известного производства лигнина деревьями."