Как генетический раскол помог растениям приспособиться к загрязнённым почвам

от

Синтетазы фитохелатинов (Phytochelatin synthases, PCSs) производят фитохелатины — короткие пептиды, богатые цистеином, которые связывают и нейтрализуют ионы токсичных металлов, таких как кадмий и мышьяк. Эти молекулы действуют как естественная система детоксикации растений, изолируя вредные элементы в вакуолях и предотвращая повреждение клеток.

Хотя в предыдущих исследованиях изучались отдельные гены PCS у модельных растений, таких как Arabidopsis thaliana (AtPCS1, AtPCS2), общая картина того, как гены PCS дивергировали в ходе эволюции растений, оставалась неясной.

Без понимания этой эволюционной истории было сложно объяснить, почему растения так сильно различаются по устойчивости к металлам. Основываясь на этих проблемах, исследователи попытались выяснить, как дупликация генов и функциональная дивергенция сформировали эволюцию PCS в геномах растений.

Научная группа из Fondazione Edmund Mach и Университета Пизы проследила эволюционное происхождение механизма детоксикации металлов у растений.

Их выводы, опубликованные в Horticulture Research, показывают, что давняя дупликация генов PCS произошла на раннем этапе эволюции цветковых растений.

Комбинируя геномную филогенетическую реконструкцию с лабораторными экспериментами и экспериментами на уровне растений, исследователи обнаружили, как эта дупликация — разделение на линии D1 и D2 — позволила растениям точно настроить свою биохимическую защиту от стресса, вызванного тяжёлыми металлами.

В исследовании были проанализированы более 130 полных геномов растений, чтобы проследить эволюционный путь генов PCS. Исследователи обнаружили древнюю дупликацию, получившую название «D-дупликация», которая возникла на раннем этапе дивергенции эвдикотов и сохраняется до сих пор. Это событие разделило гены PCS на два семейства: D1 и D2.

Чтобы изучить их функции, команда выделила MdPCS1/MdPCS2 из яблони и MtPCS1/MtPCS2 из люцерны посевной и внедрила их в мутантов Arabidopsis thaliana, лишённых нативной активности PCS. Лабораторные анализы показали, что ферменты PCS типа D2 были значительно более активными, чем их аналоги D1, демонстрируя повышенную способность синтезировать фитохелатины и связывать кадмий и мышьяк.

У живых растений гены D2 обеспечивали более сильное восстановление роста и более высокую устойчивость к металлическому стрессу, в то время как гены D1 поддерживали общий тиоловый баланс и умеренную детоксицирующую способность. Анализ последовательностей выявил два ключевых аминокислотных остатка, вероятно, ответственных за их функциональную дивергенцию.

Результаты показывают, что оба типа генов были сохранены, поскольку их комплементарные роли обеспечивали эффективную детоксикацию — замечательный пример эволюционной настройки, которая продолжает защищать современные сельскохозяйственные культуры.

«Наши выводы показывают, как эволюция усовершенствовала жизненно важный механизм выживания», — сказал доктор Клаудио Варотто, автор исследования. «Две копии гена PCS сосуществуют более ста миллионов лет, потому что дополняют друг друга: D1 обеспечивает стабильность, а D2 — мощность. Эта двойная система даёт растениям гибкость для адаптации к различным металльным вызовам. Это прекрасная иллюстрация того, как древние генетические инновации продолжают формировать устойчивость растений сегодня».

Это открытие не только углубляет наше понимание эволюции растений, но и открывает новые пути для устойчивого сельского хозяйства. Нацеливаясь на экспрессию генов PCS или перенося активность PCS типа D2 в чувствительные культуры, селекционеры могут создавать сорта, которые процветают на загрязнённых почвах, снижая при этом накопление тяжёлых металлов в съедобных частях.

Такие генетические открытия могут также улучшить стратегии фиторемедиации, где растения используются для очистки загрязнённых сред. Поскольку мир сталкивается с растущим загрязнением почв, понимание того, как растения эволюционировали, чтобы противостоять токсичным металлам, предлагает как научное вдохновение, так и практические инструменты для более безопасного сельскохозяйственного будущего.

Предоставлено китайской академией наук.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте