Вы находитесь на старом сайте НГУ. Перейти на новый сайт

25.08.2015

В Новосибирском государственном университете на кафедре информационной биологии факультета естественных наук недавно открылась лаборатория компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики. В ней учёные занимаются анализом данных, полученных при расшифровке последовательностей ДНК и РНК различных биологических образцов. Исследование такой информации позволяет выявлять генетические программы, заложенные в ДНК организмов, а также их отклонения при патологиях или изменениях окружающей среды.

О результатах одного из исследований на стыке ботаники и биоинформатики, а также загадках эволюции растений, которые пытаются понять учёные, рассказал сотрудник лаборатории, кандидат биологических наук Дмитрий Афонников.

– Дмитрий Аркадьевич, в вашей статье в высокорейтинговом журнале Trends in Plant Science проводится сравнение и анализ геномов водорослей, мхов и высших наземных растений. Расскажите, какая связь между ними и в чём отличие на генетическом уровне?

– Современные наземные растения впечатляют разнообразием форм (от маленьких травинок до гигантских деревьев) и условий, в которых они могут обитать: влажные джунгли, засушливые пустыни, холодные тундры. Это многообразие особенно примечательно в сравнении с предками растений – водорослями. В настоящее время считается, что такая диверсификация растений обеспечивается целым рядом инноваций, которые возникли сотни миллионов лет назад у древних предков наземных растений при их выходе из воды на сушу.

– Что здесь понимается под инновацией?

– Инновация в данном случае – это новая особенность, возникшая у организма не случайно, под влиянием новых условий, к которым приспосабливалось растение. К таким инновациям относится способность к быстрому росту, формированию разнообразных органов и тканей в зависимости от стадии развития растения и условий окружающей среды. (Именно это свойство позволило растениям успешно заселить практически все пространство суши). Неудивительно, что метаболические процессы, которые лежат в основе таких инноваций, а также вопросы их происхождения, вызывают большой интерес со стороны учёных. Часть таких метаболических систем были унаследованы наземными растениями от водорослей и в процессе дальнейшей эволюции были значительно усовершенствованы. Однако происхождение некоторых из инноваций до сих пор остается загадкой, поскольку не укладывается в рамки «стандартной» модели эволюции – вертикального наследования от предков к потомкам.

Схема эволюции растений
Схема эволюции растений

– Какие инновации связаны с Вашим исследованием?

– К одной из таких загадочных систем относится биосинтез ауксина – одного из важнейших гормонов растений. Ауксин – гормон роста, который синтезируется самими растениями и транспортируется в те ткани и органы, рост и развитие которых в данный момент наиболее необходим (это и кончики корней, и основания листьев, сами стебли и цветки и прочее). Считается, что именно это свойство ауксина – управление ростом ткани в нужное время и в нужном месте – обеспечивает большое разнообразие форм и стадий развития наземных растений. Например, одно из замечательных свойств растений – фототропизм (изменение направления роста органов растений в зависимости от освещенности) обусловлено биосинтезом и транспортом ауксина.

Иллюстрация проявления фоототропизма
Иллюстрация проявления фоототропизма

– То есть именно благодаря биосинтезу этого гормона роста, мы видим такое многообразие наземных растений сегодня?

– Да, именно так. Причем, недавно было установлено, что ауксин у высших растений синтезируется из триптофана (одна из аминокислот, формирующих белки) за счет двух последовательных реакций. Эти реакции контролируются двумя ферментами триптофан-аминотранферазой – TAA и флавин-зависимой монооксигеназой – YUCCA.

– Да, с ходу названия этих ферментов и не выговорить. Лучше любой скороговорки. Как обстоят дела с такими ферментами у водорослей?

– Дело в том, что родственных белков, выполняющих функции этих ферментов у водорослей, обнаружено не было (в отличие, например, от ферментов, которые принимают участие в синтезе триптофана). Это как раз означает, что водоросли не могут сами эффективно синтезировать ауксин. Следовательно, можно предположить, что у наземных растений путь биосинтеза ауксина возник не «по наследству» от водорослей, а попал в геном в результате так называемого «горизонтального переноса генов» от организмов, которые предками наземных растений не являются (грибы, протисты или бактерии).

– Каким же образом осуществляется «горизонтальный перенос генов»? Представляется, что воздушно-капельным путем...

– Горизонтальный перенос генов – необычный механизм эволюции, при котором организмы, не состоящие «в родстве», могут обмениваться ДНК. Он очень часто встречается у бактерий и редко у животных (например, у насекомых). У растений известные науке случаи горизонтального переноса редки, однако в последнее время информация о них стала появляться все чаще. Как правило, это обмен генами между растением и его паразитом или симбионтом, будь то бактерия, или грибы или другое растение.

– Это меняет представления об эволюции растений. А кто был «первооткрывателем» горизонтального переноса генов у растений, применительно к Вашему исследованию?

– Впервые гипотеза о происхождении ферментов (TAA и YUCCA), контролирующих реакцию синтеза ауксина у наземных растений путем горизонтального переноса от нерастительных организмов, была высказана год назад. Авторами гипотезы были китайские ученые – Джипей Ю с коллегами, – опубликовавшие свою работу в журнале Trends in Plant Sciences в 2014 году. Однако спустя несколько месяцев эта версия была подвергнута сомнению другой группой китайских исследователей – Я-Юном Вангом и его соавторами. В только что секвенированном геноме многоклеточной харовой водоросли Klebsormidium flaccidum они обнаружили последовательности очень похожие на последовательности ферментов, контролирующих синтез ауксина у наземных растений (TAA и YUCCA).

Харовая водоросль под микроскопом
Харовая водоросль под микроскопом

– Вторая группа исследователей опровергла исследования первой и предположила, что биосинтез ауксина существовал и у водорослей?

– Да, и если данные последней группы ученых оказывались верны, то у ферментов TAA и YUCCA наземных растений и многоклеточных водорослей должны были быть общие предки. По крайней мере, родоночальники этих ферментов обязаны были существовать у общего предка наземных растений и многоклеточных водорослей. Это подтверждало бы вертикальное наследование пути биосинтеза ауксина от многоклеточных водорослей к современным наземным растениям.

– То есть подтверждало бы стандартный путь эволюции в случае с возникновением биосинтеза ауксина?

– Да, но все оказалось не так просто. Мы совместно с сотрудниками Института цитологии и генетики СО РАН Игорем Турнаевым и Константином Гунбиным решили проверить результаты обеих работ, и оказалось, что одна из последовательностей в геноме многоклеточной харовой водоросли, похожая на последовательность фермента TAA, контролирующего эффективный биосинтез ауксина, скорее всего, таковой не является. Это было показано методами биоинформатики путем анализа доменного состава и реконструкции трехмерной структуры белков. Кроме того, мы провели детальный филогенетический анализ, показавший, что эта последовательность относится в большей степени к другому типу ферментов (аллиназам), участие которых в биосинтезе гормона роста в настоящее время не зафиксировано.

Внешний вид харовых водорослей
Внешний вид харовых водорослей

– К каким выводам вы пришли и чем планируете заниматься дальше?

– Поскольку биосинтез ауксина требует обязательного наличия двух ферментов, полученные нами результаты демонстрируют, что, вероятнее всего, у многоклеточных водорослей Klebsormidium flaccidum такой путь биосинтеза этого гормона роста, как у наземных растений, отсутствует. Следовательно, наши результаты говорят в пользу гипотезы первой группы исследователей. Все-таки более вероятно, что биосинтез ауксина был унаследован высшими растениями именно в результате необычного эволюционного механизма – горизонтального переноса генов. Это событие произошло в момент выхода растений на сушу и позволило им распространиться по всей планете в том многообразии, что мы видим сейчас. Ну, а ученым, изучающим эволюцию растений, остается и дальше думать над загадкой происхождения пути биосинтеза ауксина. Возможно, ответ удастся получить, привлекая экспериментальные методы в дополнение к биоинформатическим. Есть вероятность, что этому помогут большие проекты по секвенированию геномов растений, такие как 1KPlant, с помощью которого были расшифрованы геномы тысячи растений.

– Вы будете продолжать работу по исследованию генома водорослей в сравнении с наземными растениями?

– Да, мы планируем анализировать последовательность генома дальше по второму белку-ферменту YUCCA, ответственному за биосинтез ауксина, и по другим белкам тоже.

Надежда Дмитриева

Фото: 1 - Василия Коваля, 2-4 - из открытых источников

Последняя редакция: 26.08.2015 13:07