Учёные проследили происхождение белка, необходимого для фотосинтеза, до первых наземных растений

от

Эволюционные биологи растений из Университета Торонто (U of T) идентифицировали белок, который появился примерно 500 миллионов лет назад. Он позволил растениям преобразовывать свет в энергию посредством фотосинтеза, когда они перешли из водной среды на сушу.

Открытие даёт цель для создания устойчивых гербицидов

Исследование может помочь в борьбе с паразитическими растениями и другими сорняками, а также повысить продовольственную безопасность за счёт увеличения эффективности фотосинтеза у сельскохозяйственных культур.

Использование геномного анализа и редактирования генов CRISPR

С помощью геномного анализа и редактирования генов CRISPR исследователи определили Shikimate kinase-like 1 (SKL1) как белок, присутствующий у всех наземных растений, но отсутствующий у других организмов. Они показали, что белок эволюционировал из фермента Shikimate kinase (SK) и играет важную роль в формировании хлоропластов, необходимых для фотосинтеза.

Майкл Канарис, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале «Molecular Biology and Evolution», говорит: «Один из фундаментальных вопросов, которые мы исследуем в этом исследовании: каковы были начальные события, способствовавшие переходу простых водных организмов на сушу?»

Профессор Динеш Кристендат из Департамента клеточной и системной биологии факультета искусств и наук в U of T, работа которого сосредоточена на эволюции новых функций белков, объясняет: «Ошибки репликации ДНК приводят к появлению двух идентичных копий белка. Одна копия может взять на себя новые функции, поскольку организмы адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды в течение миллионов лет эволюции».

Пример эволюции белка SKL1

Одним из примеров является белок SKL1 у цветковых растений, который возник как копия белка SK, но приобрёл новую функцию. Предыдущие исследования Кристендата показали, что цветковые растения, эволюционировавшие примерно 130 миллионов лет назад, стали низкорослыми и альбиносами без SKL1 из-за дефектного развития хлоропластов, нарушающего фотосинтез.

Чтобы заглянуть ещё дальше в эволюцию наземных растений, исследователи использовали редактирование генома CRISPR для нарушения функции SKL1 у обычных печёночных мхов, которые одними из первых колонизировали сушу около 500 миллионов лет назад. Затем команда поместила печёночный мх SKL1 в альбиносный цветковый растение, лишённый SKL1, что привело к появлению проростков с зелёным набором листьев со спасёнными хлоропластами.

Результат был настолько неожиданным, что исследователи повторили эксперимент несколько раз. Они подтвердили, что печёночные мхи с нарушенной функцией SKL1 имеют бледный цвет и низкорослые, как и цветковые растения без SKL1, что позволяет предположить, что SKL1 может выполнять ту же функцию в развитии хлоропластов у растений, значительно более древних, чем современные цветы.

Кристендат говорит: «Мы предполагали, что функция SKL1 у печёночных мхов будет сильно отличаться от функции более эволюционно молодого растения. Но оказалось, что функция SKL1 сохраняется на протяжении 500 миллионов лет эволюции растений и является важной для их существования на суше».

Исследователи отмечают, что, хотя у всех наземных растений есть SKL1, как показал анализ последовательностей генов у разнообразных печёночных мхов, папоротников, мхов и цветковых растений, у предков современных растений, включая водные водоросли, есть только исходный белок SK.

Канарис говорит: «Неспособность идентифицировать SKL1 у организмов, предшествовавших наземным растениям, указывает на важную роль этого гена, связанную с появлением наземных растений».

Кристендат считает, что знание роли, которую играет SKL1 в фотосинтезе, может улучшить способность выращивать сельскохозяйственные культуры и сделать его более эффективной мишенью для новых поколений гербицидов, поскольку метаболический путь, в котором участвует белок SK, является текущей мишенью большинства гербицидов.

«Определённые домены белка SKL1 различаются у разных растений, поэтому можно будет нацелиться на SKL1 у конкретных растений для обеспечения безопасности и устойчивости сельского хозяйства», — заключает Кристендат.

Предоставлено Университетом Торонто.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте