Наземные растения эволюционировали 470 миллионов лет назад из водорослей и с тех пор изменили наш мир. На протяжении всей своей эволюции папоротники претерпели ряд изменений, которые помогли им выжить на суше. Впервые исследователи охарактеризовали расположение генома древовидных папоротников, что проливает новое представление о том, как они эволюционировали, сообщает «Еurekalert.org».
Важным событием в эволюции наземных растений было изобретение их сосудистой системы, которая помогает им проводить воду, питательные вещества и пищу по всему телу. Эти системы состоят из двух тканей: ксилемы и флоэмы. В то время как ксилема обеспечивает транспортировку воды к стеблям и листьям, флоэма помогает транспортировать сахара, полученные из фотосинтеза, к остальной части растения.
Кроме того, только клетки ксилемы выстланы лигнином — поддерживающими структурными материалами, которые обеспечивают жесткость древесины и коры. Исследователи хотели понять, как эти сосудистые системы развивались в папоротниках и как производится лигнин.
«Папоротники являются самыми ранними сосудистыми растениями, у которых клеточные стенки были ключевым новшеством во время эволюции этих растений», — сказал Рэй Мин (GEGC), профессор биологии растений.
«Это исследование улучшило наше понимание того, как сосудистые ткани развивались у папоротников и других видов наземных растений».
Для этого исследования ученые секвенировали геном летающего папоротника-паука-обезьяны Alsophila spinulosa и исследовали, как строятся его сосудистые ткани.
Они обнаружили, что два связанных с сосудами гена Mac-Domain были высоко экспрессированы в ксилеме по сравнению с другими тканями, что указывает на то, что они могут быть ключевыми регуляторами в формировании клеток, специфичных для ксилемы, которая обеспечивает транспортировку воды по стеблю и листьям растения.
Используя микроскопию и биохимические методы, исследователи также измерили уровни лигнина и вторичных метаболитов — соединений, которые не требуются для роста или размножения, но дают определенные преимущества — в папоротниках. Они обнаружили, что лигнин составляет 40% стенки стволовых клеток. Для сравнения, древесина обычно содержит 25%.
Чтобы понять, как эволюционировали папоротники, исследователи сравнили геномную последовательность A. spinulosa с другими членами того же вида в девяти местах в Китае. К своему удивлению, они обнаружили, что существует шесть различных популяций, отличающихся по своим геномным последовательностям.
Основываясь на результатах секвенирования, исследователи реконструировали историю популяции папоротника и увидели, что эти виды дважды подвергались резкому сокращению численности популяции. Первый произошел 35,6 – 34,5 млн лет назад, а второй – 2,5 – 0,7 млн лет назад.
«Этот анализ геномов и состава лигнина из более широкой коллекции папоротников поможет нам понять роль лигнина в ранней линии сосудистых растений», — сказал Мин.
«В наших будущих исследованиях мы надеемся увеличить количество мест и размеры выборки для геномного анализа».