Растения использовали гены бактерий и грибов для колонизации суши

Ученые из Китая проанализировали геномы представителей основных групп наземных растений и водорослей и обнаружили два основных эпизода переноса генов от микроорганизмов к растениям. Эти гены, полученные от бактерий, грибов и вирусов, могли стать движущей силой эволюции растений сотни миллионов лет назад, придавая им черты и признаки, благоприятствующие наземной жизни.

Горизонтальный перенос генов (ГПГ) — процесс передачи генетического материала между организмами разных видов. Многие микроорганизмы используют ГПГ для эволюции и адаптации к неблагоприятным внешним условиям. Так, именно этот процесс ответственен за быстрое распространение устойчивости к антибиотикам у бактерий.

Однако роль ГПГ в сложных многоклеточных организмах-эукариотах, включая растения и животных, остается спорной и малоизученной. Именно поэтому исследователи из Китая провели всесторонний систематический анализ приобретенных генов для основных групп наземных растений и харофитов (водорослей). Статья с результатами исследования опубликована в журнале Molecular Plant.

«Наше исследование меняет традиционный взгляд на эволюцию наземных растений, — комментирует Цзиньлин Хуан (Ученые обнаружили перенос генов между растением и насекомым), автор работы, биолог из Университета Восточной Каролины (США), а также сотрудник Университета Хэнаня и Института ботаники Куньмина (Китай). — Я подозревал, что горизонтальный перенос генов помог растениям выйти из воды на сушу, но до сих пор мы не знали, насколько большую роль он играет».

Обычно гены сложных организмов-эукариот передаются только посредством вертикального переноса генов — от родителей к потомству. При этом в отдельных генах могут происходить мутации, приводящие к появлению новых признаков и свойств. Но Хуан и его коллеги, в том числе специалист по биологии растений Чун-Пэн Сон (Chun-Peng Song) из Университета Хэнаня, обнаружили в предыдущих исследованиях доказательства того, что ГПГ у растений может быть обычным явлением.

Краткая схема с указанием количества событий горизонтального переноса генов у 12 репрезентативных видов харофитовых водорослей и наземных растений. (А) Цифры в овалах представляют собой семейства генов, переданные предкам отдельных групп, а числа в квадратах представляют собой семейства генов, переданные видам из выборки. / © Ma J., et al., Molecular Plant, 2022

Чтобы изучить роль ГПГ в эволюции растений, исследователи изучили геномы 31 вида из всех основных групп растений, включая мхи, папоротники, травы, пасленовые, семенные растения, а также харофитовых водорослей. Последние представляют собой отдел зеленых растений, родственных современным наземным высшим растениям и зеленым водорослям (низшие растения).

После анализа геномов китайские ученые обнаружили, что почти 600 семейств генов современных растений — гораздо больше, чем считалось — были получены в результате ГПГ. В основном это гены, приобретенные от бактерий и грибов, но встречаются также вирусные последовательности.

Кроме того, команда определила два основных эпизода ГПГ в истории эволюции харофитовых водорослей и происхождения наземных растений, когда более сотни семейств генов перешли от микроорганизмов к растениям. Многие из приобретенных генов участвуют в выполнении важных биологических функций у растений: стрессовых реакциях, транспорте ионов и метаболитов, росте, развитии и метаболизме.

«Наше открытие предполагает, что ГПГ играет значительную роль в эволюции наземных растений. По сравнению с мутациями в результате вертикального переноса генов ГПГ позволяет растениям быстро приобретать новые черты, и некоторые из этих новых черт могут помочь растениям адаптироваться к совершенно другой среде: например, когда они перешли из воды на сушу», — подытожил Хуан.