Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойБиологияНовое исследование раскрывает секрет того, как семенные растения завоевали Землю

Новое исследование раскрывает секрет того, как семенные растения завоевали Землю

- Advertisement -

Новое исследование показало, что эволюция пластинок суберина у семенных растений сыграла решающую роль в их доминировании над папоротниками в меняющемся климате Земли. Это открытие предлагает новое понимание эволюции растений и имеет важное значение для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе.

Недавнее исследование, опубликованное в Природные растения Команда Чао Дайиня из Центра передового опыта в области молекулярных наук о растениях Китайской академии наук вместе с командой Лю Шию из Университета Хубэй впервые раскрыла тайну возникновения семенных растений с точки зрения специализированных эволюция клеточной стенки.

Семенные растения — самая развитая группа растений в мире, на которую приходится две трети всех растений. разновидность и формирование преобладающей флоры нашего мира. Однако более 300 миллионов лет назад, в каменноугольный период, Земля была совсем другой, когда преобладающей флорой были папоротники, а в экологическом ландшафте доминировали высокие древовидные папоротники. Большая часть угольных ресурсов на Земле сегодня поступает из папоротниковых растений того периода, отсюда и название «каменноугольный период».

Однако палеонтологические исследования показывают поворотный момент в конце каменноугольного периода, когда климат Земли внезапно стал холодным и засушливым. В результате количество папоротников начало сокращаться, что открыло путь для появления семенных растений. Тем не менее, это важное эволюционное событие отмечено многими неразгаданными загадками, одна из которых заключается в следующем: какие конкретные преимущества развили семенные растения, которые позволили им перейти от более слабого положения к процветающему к концу каменноугольного периода?

Ключевые результаты о корневых структурах растений

Корни являются важными органами для поглощения и транспортировки воды и минеральных питательных веществ в растениях, а эндодерма является ядром корня, контролирующим транспорт воды и минеральных веществ. Клеточная стенка эндодермы представляет собой гидрофобную полоску Каспариана на основе лигнина, плотно прикрепленную к клеточной мембране эндодермы, образуя таким образом барьер, предотвращающий свободную диффузию веществ. Кроме того, ламели суберина представляют собой специализированные структуры клеточной стенки, которые покрывают всю поверхность энтодермальных клеток.

Исследования показывают, что и полоска Каспария, и ламели суберина играют важную роль в балансе питательных веществ и транспортировке воды в растениях, но их функции существенно различаются. Группа Чао ранее добилась прорыва в понимании формирования и закрепления Каспарийской полосы. Однако эволюционная основа ламелл суберина и их роль в эволюции растений еще не решена.

Эволюционный взгляд на полосу Каспария и ламеллы суберина

В этом исследовании использовался ряд передовых методов клеточной биологии и аналитической химии для проведения углубленных исследований репрезентативных видов растений из 18 различных эволюционных узлов с целью раскрытия секретов происхождения полоски Каспария и пластинок суберина.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что полоса Каспарова существует у всех сосудистых растений, включая папоротники, плауновидные, голосеменные и покрытосеменные растения, в то время как пластинки суберина присутствуют только у голосеменных и покрытосеменных растений (оба вместе называются семенными растениями). Эти данные позволяют предположить, что полоса Каспария и пластинки суберина возникли не одновременно; первые произошли от общего предка всех сосудистых растений, а вторые развились от общего предка семенных растений. Это открытие бросает вызов давнему предположению относительно ламелей суберина и открывает новые перспективы для изучения эволюции этих структур.

Экспансия генов и ламели суберина у семенных растений

Чтобы выяснить, как развивались ламели суберина у общего предка семенных растений, исследователи провели молекулярно-эволюционный анализ генов, участвующих в формировании ламелл суберина, и их гомологов, и получили следующие результаты: хотя большинство этих генов эволюционировали до появления сосудистых растений, значительная экспансия произошла у общего предка семенных растений. Это расширение предположило, что дупликация генов, вероятно, привела к функциональным инновациям, что позволило генам, ответственным за синтез ламелл суберина, появиться у общего предка семенных растений.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, исследователи исследовали гомологичные гены основных факторов транскрипции MYB, участвующих в образовании суберина у папоротников, плаунов, голосеменных и покрытосеменных растений. Было обнаружено, что эти гены широко распространены во всех этих группах растений. Однако у общего предка голосеменных и покрытосеменных произошло значительное расширение гомологичных генов. Исследователи обнаружили, что расширенные гомологичные гены у голосеменных и покрытосеменных растений могут инициировать образование пластинок суберина, в то время как гомологичные гены у папоротников и плауновидных растений не имеют такой функции. Это открытие подтвердило, что функция транскрипционных факторов MYB, инициирующих синтез суберина, была приобретена семенными растениями посредством экспансии генов.

Роль пластинок суберина в адаптации растений

Когда в конце каменноугольного периода климат Земли стал засушливым, количество папоротников начало сокращаться, а количество семенных растений увеличилось. Поскольку суберин обладает водонепроницаемыми свойствами, исследователи предположили, что появление пластинок суберина могло способствовать адаптации семенных растений к засухе, тем самым способствуя их росту после наступления засушливых условий. Позже они подтвердили эту гипотезу, используя два генетических материала арабидопсиса с дефектами суберина, тем самым продемонстрировав, что арабидопсис с дефицитом суберина более чувствителен к засухе.

Кроме того, рамановская спектроскопия и ядерный магнитный резонанс выявили решающее значение ламелл суберина в повышении эффективности сосудистого транспорта воды. В частности, поскольку молекулы воды способны к свободной диффузии через клеточные мембраны в отсутствие ламелл суберина, растения без ламелл суберина, такие как папоротники и хвощи, испытывают значительную утечку воды из мембран энтодермальных клеток, когда они подвергаются осмотическому стрессу, что приводит к низкой эффективности транспорта. .

Семенные растения, у которых пластинки суберина полностью окутывают клетки энтодермы, почти полностью блокируют свободную диффузию молекул воды. Таким образом, их скорость утечки воды при осмотическом стрессе составляет всего 1–2% по сравнению с папоротниковыми растениями и растениями-ликофитами. Этот гидроизоляционный эффект значительно повышает эффективность транспорта воды в сосудистых тканях семенных растений в условиях засухи, тем самым повышая их засухоустойчивость.

На основании этого исследователи предложили модель возникновения семенных растений: во влажном климате каменноугольного периода растения папоротника без пластинок суберина имели более высокую эффективность поглощения воды и питательных веществ и были лучше адаптированы к окружающей среде, что заставляло их процветать. Однако в позднем каменноугольном периоде наступление сухого климата дало преимущество семенным растениям, у которых развились субериновые пластинки. Они обладали более эффективной системой водного транспорта и более устойчивой к засухе, что позволило им постепенно вытеснить папоротники и стать доминирующей формой жизни на поверхности Земли.

Это исследование не только раскрывает тайну происхождения каспариановой полоски и пластинок суберина, но и впервые предоставляет доказательства того, что появление пластинок суберина способствовало возникновению семенных растений, основанное на новой перспективе. Кроме того, это определяет важную роль пластинок суберина в адаптации растений к неблагоприятным условиям, таким как засуха. В результате это исследование имеет важное значение для повышения устойчивости растений к засухе, выяснения механизмов устойчивости растений к соли и засухе, а также для разработки засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур.

Ссылка: «Эволюционная инновация пластинок корневого суберина способствовала появлению семенных растений» Ю Су, Тао Фэн, Чу-Бин Лю, Хаодун Хуан, Я-Лин Ван, Сяоцзюань Фу, Мэй-Лин Хань, Сюаньхао Чжан, Син Хуан, Цзя-Чен Ву, Тао Сун, Хуэй Шэнь, Сяньпэн Ян, Линь Сюй, Шию Люй и Дай-Инь Чао, 6 ноября 2023 г., Природные растения.
DOI: 10.1038/s41477-023-01555-1

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме