Генетическая эволюция экстремальных паразитических растений Balanophora и Sapria

В глубине субтропических лесов, среди корней деревьев, обитают необычные растения, которые можно легко принять за грибы. Эти растения относятся к семейству Balanophoraceae и имеют соцветия, напоминающие грибы. Однако на самом деле эти структуры состоят из крошечных цветков. Баланофора, представитель этого семейства, является растением-паразитом, выработавшим уникальный способ хищения питательных веществ у своего хозяина.

Если вам доведется встретить растения семейства Balanophoraceae в уголке леса, вы легко можете принять их за грибы, растущие вокруг корней деревьев. Их грибовидные структуры на самом деле представляют собой соцветия, состоящие из мельчайших цветочков.

Но в отличие от некоторых других растений-паразитов, которые распространяют гаусторию в ткани хозяина для кражи питательных веществ, баланофора заставляет сосудистую систему растения-хозяина вырасти в клубень, образуя уникальный подземный орган со смешанной тканью хозяина и паразита. Этот химерный клубень является местом, где баланофора крадет питательные вещества у растения-хозяина.

Доктор Сяоли Чен (Xiaoli Chen), ученый из BGI Research, был заинтригован эволюцией этих экстремальных растений-паразитов и возглавил исследование, опубликованное в журнале Nature Plants. Исследовательская группа, в которую входил доктор Шон Грэм из Университета Британской Колумбии, сравнила геномы Balanophora и Sapria, другого экстремального растения-паразита из семейства Rafflesiaceae.

Исследование показало, что и Balanophora, и Sapria подверглись значительному сокращению генома: Balanophora потеряла 28% своих генов, а Sapria - 38%. Для цветковых растений такое сокращение является весьма значительным и свидетельствует о степени рационализации генетического состава этих паразитических растений.

Одним из наиболее интересных результатов исследования является сходство в потере генов между Balanophora и Sapria. Несмотря на различия во внешнем виде и жизненном цикле, эти два растения независимо друг от друга потеряли сходные наборы генов. Это свидетельствует о сильной конвергенции в генетической эволюции голопаразитических линий.

Потеря генов, связанных с фотосинтезом, была ожидаемой, поскольку эти растения больше не способны осуществлять этот процесс. Однако в ходе исследования была обнаружена также потеря генов, участвующих в других ключевых биологических процессах, таких как развитие корней, поглощение азота и регуляция развития цветения. Это свидетельствует о том, что паразиты выкинули или уплотнили семейства генов, которые обычно встречаются у зеленых растений, сохранив только те гены, которые необходимы для их выживания.

Одним из наиболее удивительных открытий стала потеря генов, связанных с синтезом абсцизовой кислоты (ABA) - основного гормона растений, отвечающего за стрессовые реакции и сигнализацию. Несмотря на эту потерю, исследователи обнаружили, что Balanophora по-прежнему накапливает ABA в своих цветущих стеблях и сохраняет гены, участвующие в реакции на ABA-сигнализацию. Это позволяет предположить, что паразиты нашли альтернативные способы регуляции стрессовых реакций и сигнализации.

Доктор Грэм поясняет: "Большинство утраченных генов у Balanophora, вероятно, связаны с функциями, важными для зеленых растений, которые стали функционально ненужными для паразитов".

Данное исследование дает ценные сведения об эволюции экстремальных растений-паразитов и подчеркивает удивительную приспособляемость этих организмов. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять механизмы, лежащие в основе их уникальных адаптаций, и изучить возможности их применения в различных областях.