Două gene critice au fost identificate pentru plantele care au colonizat Pământul acum 470 de milioane de ani

Oamenii de știință cred că este posibil ca cele două gene, PEN1 și SYP122, să fi deschis calea pentru tot felul de viață a plantelor terestre.

Cercetătorii au aruncat o nouă lumină asupra modului în care viața plantelor a apărut pe Pământ

cercetători din Universitatea din Copenhaga A aruncat o nouă lumină asupra modului în care viața plantelor a apărut pe suprafața planetei noastre. Mai exact, ei au arătat că două gene sunt necesare pentru ca plantele terestre să se protejeze de atacul ciupercilor – un mecanism de apărare care datează de 470 de milioane de ani. Este probabil că aceste apărări au deschis calea pentru toată viața vegetală terestră.

Mads Eggert Nielsen, biolog la Universitatea din Copenhaga.

Plantele au evoluat de la alge acvatice la capacitatea de a supraviețui pe Pământ în urmă cu aproape jumătate de miliard de ani, punând bazele vieții pe Pământ. Unul dintre obstacolele care au făcut această transformare dramatică atât de dificilă au fost ciupercile:

Se estimează că în urmă cu 100 de milioane de ani, ciupercile s-au strecurat pe suprafața Pământului în căutarea hranei, cel mai probabil găsite în algele moarte spălate din mare. Deci, dacă tu, ca plantă nouă, te vei stabili pe Pământ și primul lucru pe care îl întâlnești este o ciupercă care te mănâncă, ai nevoie de un fel de mecanism de apărare”, spune Mads Eggert Nielsen, biolog în cadrul Departamentului. de științe vegetale și de mediu la Universitatea din Copenhaga.

Potrivit lui Mads Eggert Nielsen și a colegilor de cercetare de la Departamentul de Științe ale Plantelor și a Mediului și de la Universitatea Paris-Sclay, nucleul acestui mecanism de apărare poate fi restrâns la două gene, PEN1 și SYP122. Împreună, ele ajută la formarea unui tip de componentă în plante care previne invazia ciupercilor și a organismelor asemănătoare ciupercilor.

„Am descoperit că, dacă distrugem aceste două gene în modelul nostru de Arabidopsis, deschidem ușa pătrunderii ciupercilor patogene. Am descoperit că ele sunt esențiale pentru formarea acestui dop asemănător peretelui celular care protejează împotriva ciupercilor. Interesant, pare a fi un mecanism de apărare universal întâlnit la toate plantele terestre”, spune Mads Eggert Nielsen, autor principal al studiului, care a fost publicat în revista Science. eLife.

Am crescut într-o fabrică veche de 470 de milioane de ani

Echipa de cercetare a testat aceeași funcție în hepatic, un descendent direct al uneia dintre primele plante terestre de pe Pământ. Luând cele două gene care se potrivesc în hepatic și inserându-le în creson, cercetătorii au examinat dacă ar putea determina același efect. Răspunsul a fost da.

Experimente cu modelul Arabidopsis Credit: Mads Eggert Nielsen

„Deși cele două familii de plante către care Arabidopsis și hepatica au evoluat în direcții diferite în urmă cu 450 de milioane de ani, ele au continuat să împartă funcții genetice. Credem că această familie de gene a apărut cu scopul unic de a gestiona acest mecanism de apărare și, prin urmare, a fost una Cine a fondat plante pentru a se stabili pe pământ”, spune Mads Eggert Nielsen.

Coexistența plantelor și ciupercilor

În timp ce ciupercile au reprezentat un obstacol în calea plantelor în tranziția lor de la algele marine la plantele terestre – ele au fost, de asemenea, o condiție prealabilă. Mads Eggert Nielsen explică că, odată ce plantele au fost capabile să supraviețuiască atacurilor ciupercilor care căutau să le mănânce pe Pământ, următoarea problemă cu care s-au confruntat a fost găsirea nutrienților:

Plantele din mediile acvatice au acces ușor la nutrienții dizolvați, cum ar fi fosforul și azotul. Dar acum 500 de milioane de ani, solul așa cum îl cunoaștem astăzi nu exista – doar roci. Nutrienții legați de roci sunt extrem de greu de obținut de către plante. Dar nu pentru ciuperci. Pe de altă parte, ciupercile nu pot produce carbohidrați – motiv pentru care consumă plante. Aici se crede că a apărut relația simbiotică dintre plante și ciuperci, care a devenit ulterior baza pentru explozia plantelor terestre în această perioadă.”

Structurile defensive care se formează în plantă nu ucid planta sau ciuperca, pur și simplu împiedică invadarea ciupercii.

„Deoarece ciupercile pot obține o intrare doar parțială în plantă, credem că apare un punct de cotitură în care atât planta, cât și ciuperca au ceva de câștigat. Prin urmare, a fost util să păstrăm relația așa cum este. Teoria că plantele au îmblânzit ciupercile pentru a le coloniza. pământul Nu al nostru, dar noi oferim furaje care susțin această idee”, spune Mads Eggert Nielsen.

Poate fi aplicat în agricultură

Noile descoperiri adaugă o piesă importantă puzzle-ului istoriei evolutive a plantelor. Mai important, ele pot fi folosite pentru a face culturile mai rezistente la atacurile fungice, ceea ce este o mare problemă pentru fermieri.

„Dacă toate plantele se apără în același mod, acest lucru ar trebui să însemne că microorganismele capabile să provoace boli – cum ar fi mucegaiul praf, rugina galbenă și putregaiul cartofului – au găsit o modalitate de a se infiltra, de a opri sau de a se sustrage de apărarea plantelor gazdă respective. Vreau să știți. Cum fac ei asta. Vom încerca apoi să transferăm componentele defensive de la plantele rezistente la acele plante care se îmbolnăvesc, și astfel obținem rezistență”, spune Mads Eggert Nielsen.

Mads Eggert Nielsen participă la un proiect de cercetare în cadrul Departamentului de Științe Botanice și de Mediu condus de Hans Thordal-Christensen și susținut de Fundația Novo Nordisk, care se concentrează pe a face culturile mai rezistente prin identificarea mecanismelor de apărare ale plantelor pe care le încearcă microorganismele care cauzează boli. a se adresa. închide.

Fapte suplimentare

Cercetătorii au presupus de mult că genele PEN1 și SYP122 au îndeplinit o funcție specială în ceea ce privește tranziția plantelor din faza lor acvatică ca alge la plante terestre, dar nu au existat dovezi concrete cu privire la faptul că acestea sunt într-adevăr o condiție prealabilă pentru plante. capacități defensive.

Studiile anterioare au arătat că prin distrugerea genei PEN1, plantele își pierd capacitatea de a se apăra împotriva mucegaiului. Cu toate acestea, atunci când gena strâns înrudită, SYP122, este distrusă, nu se întâmplă nimic. Noile rezultate ale cercetării arată că cele două gene împreună constituie o cheie importantă în mecanismul de apărare al plantei.

Referință: „Structurile SYP12 ale plantelor mediază o imunitate generală conservată evolutiv la agenții patogeni nematozi” De Hector M Rubiato, Mingqi Liu, Richard J O’Connell și Mads E. Nielsen, 4 februarie 2022, disponibil aici. eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.73487