|
|
| ||
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science. — Дмитрий Аркадьевич, в вашей статье в журнале Trends in Plant Science [1] проводятся анализ и сравнение геномов водорослей, мхов и высших наземных растений. Расскажите, какая связь между ними и в чём отличие на генетическом уровне? — Современные наземные растения впечатляют разнообразием форм (от маленьких травинок до гигантских деревьев) и условий, в которых они могут обитать: влажные джунгли, засушливые пустыни, холодные тундры. Это многообразие особенно примечательно в сравнении с предками растений — водорослями. В настоящее время считается, что такая диверсификация растений обеспечивается целым рядом инноваций, которые возникли сотни миллионов лет назад у древних предков наземных растений при их выходе из воды на сушу.  Рисунок 1. Дмитрий Афонников. Фотография Василия Коваля.— Инновация в данном случае — это новая особенность, возникшая у организма не случайно, под влиянием новых условий, к которым приспосабливалось растение. К таким инновациям относится способность к быстрому росту, формированию разнообразных органов и тканей в зависимости от стадии развития растения и условий окружающей среды. Именно это свойство позволило растениям успешно заселить практически всё пространство суши. Неудивительно, что метаболические процессы, которые лежат в основе таких инноваций, а также вопросы их происхождения, вызывают большой интерес у ученых. Часть таких метаболических систем была унаследована наземными растениями от водорослей и в процессе дальнейшей эволюции значительно усовершенствована (рис. 2). Однако происхождение некоторых инноваций до сих пор остается загадкой, поскольку не укладывается в рамки «стандартной» модели эволюции — вертикального наследования от предков к потомкам.  Рисунок 2. Схема эволюции растений. Рисунок с сайта mac122.icu.ac.jp, адаптирован.— К одной из таких загадочных систем относится биосинтез ауксина — одного из важнейших гормонов растений. Ауксин — гормон роста, который синтезируется самими растениями и транспортируется в те ткани и органы, рост и развитие которых в данный момент необходимы (это и кончики корней, и основания листьев, сами стебли, цветки и прочее). Считается, что именно это свойство ауксина — управление ростом ткани в нужное время и в нужном месте — обеспечивает большое разнообразие форм и стадий развития наземных растений. Например, одно из замечательных свойств растений — фототропизм (изменение направления роста органов растений в зависимости от освещенности) — обусловлено биосинтезом и транспортом ауксина (рис. 3).  Рисунок 3. Иллюстрация проявления фототропизма. Рисунок с сайта www.the-scientist.com.— Да, именно так. Причем недавно было установлено, что ауксин у высших растений синтезируется из триптофана (одна из аминокислот, формирующих белки) за счет двух последовательных реакций. Эти реакции контролируются двумя ферментами — триптофан-аминотранферазой (TAA) и флавин-зависимой монооксигеназой (YUCCA). — Да, с ходу названия этих ферментов и не выговорить. Лучше любой скороговорки. Как обстоят дела с такими ферментами у водорослей? — Дело в том, что родственных белков, выполняющих функции этих ферментов, у водорослей обнаружено не было (в отличие, например, от ферментов, которые принимают участие в синтезе триптофана). Это как раз означает, что водоросли не могут сами эффективно синтезировать ауксин. Следовательно, можно предположить, что у наземных растений путь биосинтеза ауксина возник не «по наследству» от водорослей, а попал в геном в результате так называемого горизонтального переноса генов от организмов, которые предками наземных растений не являются (грибы, протисты или бактерии). — Каким же образом осуществляется этот горизонтальный перенос генов? Представляется, что воздушно-капельным путем... — Горизонтальный перенос генов — необычный механизм эволюции, при котором организмы, не состоящие «в родстве», могут обмениваться ДНК [2]. Он очень часто встречается у бактерий и редко у животных (например, у насекомых). У растений известные науке случаи горизонтального переноса редки, однако в последнее время информация о них стала появляться всё чаще. Как правило, это обмен генами между растением и его паразитом или симбионтом, будь то бактерия, или гриб, или другое растение. — Это меняет представления об эволюции растений. А кто был «первооткрывателем» горизонтального переноса генов у растений — применительно к вашему исследованию? — Впервые гипотеза о происхождении ферментов TAA и YUCCA, контролирующих реакцию синтеза ауксина у наземных растений, путем горизонтального переноса от нерастительных организмов была высказана год назад. Авторами гипотезы были китайские ученые — Джипей Ю и его коллеги, опубликовавшие свою работу в журнале Trends in Plant Sciences в 2014 году [3]. Однако спустя несколько месяцев эта версия была подвергнута сомнению другой группой китайских исследователей — Я-Юном Вангом и его соавторами [4]. В только что секвенированном геноме многоклеточной харовой водоросли Klebsormidium flaccidum (рис. 4, 5) они обнаружили последовательности, очень похожие на гены ферментов, контролирующих синтез ауксина у наземных растений (TAA и YUCCA).  Рисунок 4. Внешний вид харовых водорослей. Рисунок с сайта cfb.unh.edu.— Да, и если данные последней группы ученых оказывались верны, то у ферментов TAA и YUCCA наземных растений и многоклеточных водорослей должны были быть общие предки. По крайней мере, родоначальники этих ферментов обязаны были существовать у общего предка наземных растений и многоклеточных водорослей. Это подтверждало бы вертикальное наследование пути биосинтеза ауксина от многоклеточных водорослей современными наземными растениями. — То есть подтверждало бы стандартный путь эволюции в случае с возникновением биосинтеза ауксина? — Да, но всё оказалось не так просто. Мы совместно с сотрудниками Института цитологии и генетики СО РАН Игорем Турнаевым и Константином Гунбиным решили проверить результаты обеих работ, и оказалось, что одна из последовательностей в геноме многоклеточной харовой водоросли, похожая на ген фермента TAA, контролирующего эффективный биосинтез ауксина, скорее всего, этот фермент не кодирует. Это было показано методами биоинформатики, путем анализа доменного состава и реконструкции трехмерной структуры белков. Кроме того, мы провели детальный филогенетический анализ, показавший, что эта последовательность относится в большей степени к другому типу ферментов (аллиназам), участие которых в биосинтезе гормона роста в настоящее время не зафиксировано.  Рисунок 5. «Портрет под микроскопом» харовой водоросли Klebsormidium flaccidum. Рисунок с сайта ccala.butbn.cas.cz.— Поскольку биосинтез ауксина требует обязательного наличия двух ферментов, полученные нами результаты демонстрируют, что, вероятнее всего, у многоклеточных водорослей Klebsormidium flaccidum такого пути биосинтеза этого гормона роста, как у наземных растений, нет. Следовательно, наши результаты говорят в пользу гипотезы первой группы исследователей. Всё-таки более вероятно, что биосинтез ауксина был унаследован высшими растениями именно посредством необычного эволюционного механизма — горизонтального переноса генов. Это событие произошло в момент выхода растений на сушу и позволило им распространиться по всей планете в том многообразии, что мы видим сейчас. Ну а ученым, изучающим эволюцию растений, остается и дальше думать над загадкой происхождения пути биосинтеза ауксина. Возможно, ответ удастся получить, привлекая экспериментальные методы в дополнение к биоинформатическим. Есть вероятность, что этому помогут большие проекты по секвенированию геномов растений — такие, как 1KPlant, с помощью которого были расшифрованы геномы тысячи растений. — Вы будете продолжать работу по исследованию генома водорослей в сравнении с наземными растениями? — Да, мы планируем анализировать геном дальше — по второму белку-ферменту YUCCA, ответственному за биосинтез ауксина, и по другим белкам тоже. Первоначально интервью было опубликовано на сайте НГУ [5]. Литература
| |||
суббота, 14 ноября 2015 г.
Не будь водорослью! Синтезируй ауксин!
