Мутации колонизировали Землю

Мхи и лишайники отличаются простотой своей морфологии – они не имеют корней, не цветут и не размножаются семенами, как это принято у подавляющего большинства современных растений.

Тем удивительнее оказались результаты первого анализа генома мха, показывающего существенно большую генетическую сложность этих растительных организмов, имеющих порядка 35 тысяч генов, что на 10 тысяч больше чем у первого растения, обитающего на суше, геном которого был расшифрован. Кроме того, геном изученного мха, как оказалось, кодирует уникальные адаптационные механизмы, не обнаруженные у других сухопутных растений.

По предположению ученых, именно эти мутации позволили водяным растениям начать колонизацию суши.

Различные виды мхов, равно как роголистников и печеночников, – это довольно примитивные формы растений, объединенных названием бриофиты. Они развились от предков водных цветущих растений около 450 миллионов лет назад. Путь растений, зародившихся в водной среде, на сушу через водорослеподобных предков был непрост. Он подразумевал выработку способности выдерживать большие температурные перепады и периодическое отсутствие воды. Кроме того, этим растениям было необходимо выдерживать существенно большую солнечную радиацию, чем их предкам, оставшимся в воде.

Эти эволюционные шаги, по мнению Джеффри Бура, профессора Калифорнийского университета, растениям пришлось преодолевать в пограничной зоне между сушей и водой, где растения на время лишались доступа жидкости.

В ходе эволюции мхи выработали ряд зачатков функций, которые так и не были «доведены до ума».

Среди них, в частности, сосудистые ткани, способные переносить воду, и семена, помогающие современным растениям пережить засушливые периоды.

Ученым наконец удалось взглянуть на геном общего предка всех наземных растений в результате масштабного эксперимента по изучению наследственной последовательности мха Physcomitrella patens и сравнения его с геномами риса, модельного растения Arabidopsis, а также одноклеточной водросли. Physcomitrella patens, как правило, проявляется на свежей береговой линии, где быстро цветет и погибает.

Первый сюрприз, который этот мох преподнес ученым, – обилие генов в геноме.

В своем комментарии к работе Ральф Катрано из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, отмечает, что многие из этих генов, например помогающий растениям вернуться к жизни после засухи, являются общим для многих современных растений, а потому появились гораздо раньше выхода растений на сушу. Во-вторых, как оказалось позднее, деятельность этого гена дублируется рядом других, развившихся в виде независимых механизмов, помогающих мху пережить трудные времена. Кроме того, у мхов обнаружились и дополнительные гены, восстанавливающие ДНК клеток в после разрушительного воздействия солнечных лучей.

Всего же в геноме P. Patens обнаружено примерно 500 миллионов нуклеотидов, последовательность которых кодирует порядка 36 тысяч генов. Это примерно в 2 раза больше, чем у человека.

По мнению Кантаро, геном доисторического предка мха P. Patens мог претерпеть полную дупликацию для того, чтобы новые, свободные от функциональных обязанностей гены могли взять на себя новые необходимые функции.

Как докладывают коллеги Кантаро в публикации в Science, новыми для генетиков являются примерно 20% генов этого мха. По их мнению, эти гены могут быть специфическими генами мхов и лишайников.

Изученный мох представляет большой научный интерес в силу специфики своего строения, а также довольно короткого времени жизни, что позволяет сравнить его с мушкой дрозофилой – основным объектом генетических исследований зоологов.

Кроме того, ученые надеются получить и конкретный технологический результат из своей работы, так как планируют генетически привить современным сельскохозяйственным культурам способность восстанавливаться после полного водяного истощения.

Такие растения будут гораздо более устойчивы к засухам.

Однако Памела Солитис, эволюционный биолог из Университета Флориды, поспешила остудить пыл коллег, заметив, что рыбы и человек эволюционно настолько же далеки друг от друга, как мхи и рис. Так что эволюционное древо растений на сегодняшний день оказывается изученным с генетической точки зрения весьма поверхностно, а прививать рису гены мха – что выращивать у человека плавники и жабры.

По её мнению, прежде попыток генетической модификации ученым придется изучить геном еще не одного растения или мха, находящегося между этими двумя ветвями растительной эволюции.