Древняя дупликация и функциональная дифференциация фитохелатинсинтаз сохраняется в геномах растений и по сей день, и это дает возможность для создания культур, устойчивых, продуктивных и безопасных для потребления для выращивания на загрязненной тяжелыми металлами почве.
В то время как мир сталкивается с растущим загрязнением почвы, понимание того, как растения эволюционировали, чтобы выдерживать воздействие токсичных металлов, дает как научное вдохновение, так и практические инструменты для более безопасного будущего сельского хозяйства.
Фитохелатинсинтазы в растениях (Phytochelatin synthases (PCS)) производят фитохелатины (PCn), содержащий до 11 мономеров, и PCn хелатирует свободные ионы металлов (и металлоид мышьяк в форме арсенита, AsIII) через тиоловую группу цистеина, а комплексы PCn: ионы металлов, образующиеся в цитозоле, транспортируются в вакуоли, тем самым снижая токсичность, связанную с накоплением ионов металлов в цитозоле, и регулируя гомеостаз ионов металлов.
Хотя в предыдущих исследованиях изучались отдельные гены PCS в модельных растениях, таких как резуховидка Таля Arabidopsis thaliana (AtPCS1, AtPCS2), более широкая картина того, как гены PCS диверсифицировались в ходе эволюции растений, оставалась неясной.
Без понимания этой эволюционной истории было трудно объяснить, почему растения так сильно различаются по устойчивости к металлам. Исходя из этих проблем, исследователи стремились понять, как дупликация генов и функциональная дивергенция повлияли на эволюцию PCS в геномах растений.
Исследовательская группа из Фонда Эдмунда Маха и Пизанского университета проследила эволюционное происхождение механизма детоксикации металлов у растений. Их выводы, опубликованные в журнале Horticulture Research , показывают, что долгое время остававшаяся без внимания дупликация генов PCS произошла на ранних этапах эволюции цветковых растений.
Объединив филогенетическую реконструкцию всего генома с лабораторными экспериментами и экспериментами на уровне растений, исследователи обнаружили, как эта дупликация — разделение на линии D1 и D2 — позволила растениям тонко настроить свою биохимическую защиту от стресса, вызванного тяжелыми металлами.
В ходе исследования было проанализировано более 130 полных геномов растений, чтобы составить карту эволюционного пути генов PCS. Ученые обнаружили древнюю дупликацию, получившую название «D-дупликация», которая возникла на ранней стадии диверсификации двудольных и сохранилась до наших дней. Это событие разделило гены PCS на два семейства: D1 и D2.
Чтобы изучить их функции, исследователи выделили MdPCS1/MdPCS2 из яблони и MtPCS1/MtPCS2 из люцерны лекарственной и внедрили их в мутанты Arabidopsis thaliana, лишенные нативной активности PCS. Лабораторные исследования показали, что ферменты PCS типа D2 были значительно более активны, чем их аналоги типа D1, демонстрируя повышенную способность к синтезу фитохелатинов и связыванию кадмия и мышьяка.
У растений гены D2 обеспечивали более быстрое восстановление роста и более высокую устойчивость к стрессу, вызванному металлами, в то время как гены D1 поддерживали общий баланс тиоловых кислот и умеренную способность к детоксикации. Анализ последовательностей выявил два ключевых аминокислотных остатка, вероятно, ответственных за их функциональное различие.
Результаты показывают, что оба типа генов сохранились, поскольку их взаимодополняющие роли обеспечивали эффективную детоксикацию — замечательный пример эволюционной тонкой настройки, которая продолжает защищать современные сельскохозяйственные культуры.
«Наши результаты показывают, как эволюция усовершенствовала жизненно важный механизм выживания. Две копии гена PCS сосуществуют уже более ста миллионов лет, поскольку дополняют друг друга: D1 обеспечивает стабильность, а D2 — энергию. Эта двойная система даёт растениям гибкость, позволяющую адаптироваться к различным воздействиям металлов. Это прекрасная иллюстрация того, как древние генетические инновации продолжают формировать устойчивость растений сегодня», — говорит доктор Клаудио Варотто, автор-корреспондент исследования.
Это открытие не только углубляет наше понимание эволюции растений, но и открывает новые пути к устойчивому сельскому хозяйству. Воздействуя на экспрессию гена PCS или перенося активность PCS типа D2 в чувствительные культуры, селекционеры смогут создавать сорта, процветающие на загрязненных почвах и одновременно снижающие накопление тяжелых металлов в съедобных частях растений. Подобные генетические знания могут также улучшить стратегии фиторемедиации, когда растения используются для очистки загрязненных сред.
Источник: Chinese Academy of Sciences.