Эволюционные тайны редкого паразитического растения: уменьшение пластид и странные репродуктивные стратегии

от

В горах Тайваня и на территории материковой Японии, а также в субтропических лесах Окинавы у мшистых деревьев растёт то, что многие могут принять за гриб. Однако это уникальное растение с одними из самых маленьких цветов и семян в мире.

У растения Balanophora нет хлорофилла для фотосинтеза и корневой системы, которая могла бы поставлять ему воду из почвы. Поэтому оно развило ряд экстремальных черт, чтобы выжить, полностью паразитируя на корнях определённых местных деревьев. Некоторые виды и популяции производят семена без оплодотворения, что крайне редко встречается в царстве растений.

Род Balanophora, названный так из-за сходства с желудями (греч. balanos — жёлудь, phoros — несущий), давно озадачивает биологов. Из-за своей редкости и привязанности к специфическим средам, которые находятся под угрозой из-за вмешательства человека, изучение этого рода было затруднено. Но теперь исследователи из Института науки и технологий Окинавы (OIST), Университета Кобе и Тайбэйского университета объединили усилия, чтобы изучить Balanophora в её редких и труднодоступных местах обитания.

Их работа, недавно опубликованная в New Phytologist, описывает эволюционную историю растения, показывает, как его органеллы функционируют неожиданным образом, чтобы приспособиться к паразитическому образу жизни, и прокладывает путь для будущих исследований этого древнего растения-выскочки.

Как говорит ведущий автор исследования доктор Петра Светликова, научный сотрудник OIST: «Balanophora утратила многое из того, что определяет её как растение, но сохранила достаточно, чтобы функционировать как паразит. Это увлекательный пример того, как нечто настолько странное может развиться от предка, который выглядел как обычное растение с листьями и нормальной корневой системой».

Общая черта паразитических растений заключается в том, что по мере увеличения их зависимости от растения-хозяина их пластиды — общий термин для органелл растений, включая хлоропласты в фотосинтезирующих растениях — теряют гены или даже исчезают совсем. Но, несмотря на то что Balanophora полностью зависит от деревьев-хозяев в удовлетворении всех своих потребностей в питании, она сохранила свои пластиды, хотя и в значительно уменьшенном виде.

У непаразитических растений до 200 отдельных генов могут кодировать структуру пластид, тогда как у Balanophora осталось всего 20 генов. В то же время исследователи обнаружили, что более 700 белков импортируются в пластиды из цитоплазмы, что предполагает, что даже в этой уменьшенной форме пластиды Balanophora всё ещё играют жизненно важную роль.

Профессор Филип Хусник, руководитель группы эволюции, клеточной биологии и симбиоза в OIST, говорит: «Тот факт, что пластиды Balanophora всё ещё участвуют в биосинтезе многих соединений, не связанных с фотосинтезом, стал для нас неожиданностью. Это означает, что порядок и сроки сокращения пластид у нефотосинтезирующих растений аналогичны другим эукариотам, таким как вызывающий малярию паразит Plasmodium, который произошёл от фотосинтезирующего предка».

Путем отбора проб в различных популяциях Balanophora команда смогла построить «древо жизни» для этого рода растений и проследить, как он диверсифицировался в субтропиках островов Восточной Азии. Balanophoraceae, семейство, к которому принадлежит род Balanophora, является одним из старейших семейств полностью паразитических растений, которое диверсифицировалось в середине мелового периода около 100 миллионов лет назад — и, таким образом, одним из первых наземных растений, потерявших фотосинтез.

Ещё один увлекательный вопрос, который оставляют открытыми эти растения, — их размножение, которое сильно варьируется от популяции к популяции. Некоторые виды требуют оплодотворения для посева семян; другие имеют дополнительную способность производить семена без оплодотворения, так называемая факультативная агамноспермия, а некоторые размножаются исключительно агамноспермно, то есть никогда не размножаются половым путём.

«Обязательная агамноспермия чрезвычайно редка в царстве растений, потому что обычно она влечёт за собой множество негативных последствий — отсутствие генетического разнообразия, накопление плохих мутаций, зависимость от определённых условий, более высокий риск вымирания и так далее», — объясняет доктор Светликова. «Удивительно, но мы обнаружили, что все виды Balanophora, размножающиеся исключительно агамноспермно, являются островными видами — и мы предполагаем, что больше видов Balanophora могут быть факультативными или даже облигатными агамноспермами».

Одним из преимуществ этой репродуктивной стратегии является то, что она позволяет одиночным женским растениям распространяться по новым островам, быстро колонизируя высокоспецифичную нишу, в которой они процветают: тёмный, влажный подлесок, где немногие другие растения могут выжить.

Несмотря на способность к клонированию, Balanophora очень разборчива в выборе хозяина: отдельные популяции растения паразитируют всего на нескольких видах деревьев. Это, к сожалению, также делает эти редкие и уникальные цветы уязвимыми.

«Мы очень благодарны нашим коллегам докторам Хуэй-Джиуну Су и Кендзи Суэцугу, экспертам по паразитическим растениям, за их помощь в сборе образцов изученных видов Balanophora, а также местным властям Окинавы, которые позволили нам изучить эти необычные растения», — говорит доктор Светликова.

«Большинство известных мест обитания Balanophora защищены на Окинаве, но популяции находятся под угрозой из-за вырубки лесов и несанкционированного сбора. Мы надеемся узнать как можно больше об этом фантастическом древнем растении, пока не стало слишком поздно. Это служит напоминанием о том, что эволюция продолжает удивлять нас».

Предоставлено:
[Okinawa Institute of Science and Technology](https://phys.org/partners/okinawa-institute-of-science-and-technology/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте