Гени бактерій допомогли водоростям вибратися на сушу

Ріс. 1. Малюнки з книги Untersuchungen über die Familie der Conjugaten Антона де Барі, де вперше згадується Spirogloea muscicola — водоросль-амфібія, яку лише недавно після майже вікової перерви заново знайшли в природі. Це один з найближчих родичів наземних рослин. Секвенування генома цієї водорості дозволило дізнатися, що деякі гени стійкості до посухи рослини набули заздалегідь шляхом горизонтального перенесення з предків ґрунтованих бактерій. На малюнку F зображено клітини Spirogloea muscicola на різних стадіях розвитку, а на малюнку D — клітини Mesotaenium chlamidosporum, родича другої обговорюваної нижче водорості (M. endlicherianum)

Освоєння водоростями суші і поява перших рослин було б неможливим без швидкої адаптації до нових умов. Зокрема, потрібно було навчитися вирішувати проблему зневоднення. Секвенування геномів двох сучасних організмів, що займають проміжне положення між водоростями і наземними рослинами, показало, що для її вирішення їх предки запозичили гени у ґрунтових бактерій.

Тотальний успіх рослин — а інакше і не назвеш їх повсюдне поширення і величезне розмаїття (рахунок видів йде на сотні тисяч) — був пов’язаний з тим, що свого часу їх предки захопили принципово нове практично незаселене середовище проживання, вийшовши з води на сушу. Це сталося приблизно 500 мільйонів років тому. Спроби заселити сушу робилися і до того, але саме у рослин це «стало мейнстрімом».

Щоб захопити землю, предкам рослин довелося вирішити цілий ряд проблем, одна з найбільш нагальних з яких — боротьба з висиханням. Щоб дізнатися більше про те, як вони з цим впоралися, міжнародна група дослідників під керівництвом Міхаеля Мелконяна (Michael Melkonian) вирушила на пошуки їхніх найближчих родичів, нащадків «проміжної ланки» між водними і наземними мешканцями. Передбачалося, що деякі зміни, що дозволили рослинам адаптуватися, відбулися заздалегідь, і можна буде знайти їх сліди. Це припущення ґрунтувалося на декількох недавніх дослідженнях.

Донедавна основним претендентом на звання найближчих родичів наземних (або вищих) рослин вважалася харові водорості. Вищі рослини крім свого переважно наземного способу життя відрізняються від водоростей складною будовою і поділом на окремі тканини. Харові водорості зовні схожі на них і мають найскладнішу серед водоростей багатоклітинну організацію: у них навіть є поділ на вузли і міждузлі — майже як у вищих рослин. Крім того, їх маркерні послідовності ДНК досить схожі. Тим не менш, статус харових водоростей як найближчих родичів рослин похитнувся в міру накопичення в генетичних базах даних репрезентативної кількості розшифрованих геномів рослин і водоростей.

У 2011 році Мелконян і його колеги провели акуратний аналіз 129 білків 40 видів рослин і водоростей (S. Wodniok et al., 2011. Origin of land plants: Do conjugating green algae hold the key?). Побудувавши за результатами філогенетичне дерево, вони показали, що замість харових водоростей найближче до рослин повинні бути влаштовані більш просто зигнемові водорості. Пізніше ці висновки були неодноразово відтворені в інших роботах на різних даних.

Ріс. 2. Сучасна класифікація зелених водоростей і вищих рослин на підставі генетичного аналізу. Додатково показано характерні елементи, придбані окремими кладами. Підписано найважливіші ознаки, які з’являлися в процесі еволюції: загальний предк групи Viridiplantae вже мав дихання на основі фотосинтезу; у процесі становлення групи Streptophyta (в яку входять вищі рослини) і переходу до наземного способу життя з’явилися здатність до гілок, фрагмопласти, апікальний зріст, сперматозоїди і яйцеклітини, двопластидність; нарешті, вищі рослини (Embryophyta) обзавелися багатоклітинними спорофітами, кутикулою, поліпластидністю і навчилися ембріогенезу і РНК-редагуванню. Компіляція малюнків з обговорюваної статті в Cell і зі статті T. Nishiyama et al., 2018. The Chara Genome: Secondary Complexity and Implications for Plant Terrestrialization

Варто зауважити, що розбіжність рослин, харових і зигнемових водоростей сталася досить давно. Причому, це сталося досить швидко за еволюційними мірками, тому не так-то просто визначити, в якій послідовності це відбувалося, дивлячись на їх сучасних нащадків. Ці групи досить близькі між собою щодо інших організмів, так що їх взаємоположення на філогенетичному дереві залежить від декількох факторів:

1) від того, які і скільки рослин і водоростей було взято для аналізу, 2)

за якими послідовностями проводять порівняння, 3) яка

модель обрана авторами для реконструкції (див., наприклад, S. Le et al., 2008. Phylogenetic mixture models for proteins). Поділ на

таксономічні групи, їх назви і вміст також може бути предметом дискусії, але в рамках цієї новини ми будемо дотримуватися термінології з обговорюваної статті в Cell.

По ідеї, якщо якісь зміни і відбулися заздалегідь, то зигнемові — це перші кандидати для їх пошуку. Додатковим аргументом стала наявність серед них «амфібій». Переважна кількість як зигнемових, так і харових водоростей живе у воді, і навіщо їм було пристосовуватися до життя на суші — незрозуміло. Але тут дослідники звернули увагу на два види — Spirogloea muscicola і Mesotaenium endlicherianum. Перший з них до останнього моменту був відомий лише за описами XIX століття, але кілька років тому Мелконян знайшов його заново. Наступний ДНК-аналіз показав, що це представник самої ранньої гілки зигнемових водоростей. На підставі цього її запропонували виділити в окремий підклас Spirogloeophycidae. M. endlicherianum відокремився від основної гілки наступним, і може розглядатися як самий ранній представник другого підкласу, до якого увійшли всі інші зигнемові.

Обидві ці водорості живуть не зовсім у воді, а на вологих поверхнях — часто серед мха або у вологому ґрунті, так що присутність в них генів, потрібних для відповіді на посуху, цілком виправдана. Мелконян і його колеги секвенували геноми представників обох видів, благо вони дуже компактні порівняно з більшістю зигнемових.

При анотації геномів M. endlicherianum і S. muscicola виявили відповідно 11 080 і 27 131 генів. Така різниця обумовлена недавнім збільшенням плоїдності геному останнього. Порівнявши ці геноми з геномами інших водоростей і рослин, дослідники виділили 22 групи генів, які зустрічаються тільки у зигнемових і наземних рослин і, швидше за все, були успадковані ними від загального предка. Серед цих груп генів виявилися шукані гени стресової відповіді: гени сімейства PYR/PYL/RCAR, транскрипційні фактори сімейства GRAS та інші.

PYR/PYL/RCAR — це канонічні рецептори абсцизової кислоти — гормону рослин, що відповідає за адаптацію до абіотичних стресів на кшталт висихання і низьких температур. Зокрема, вона керує закриттям гирлів, бере участь у регуляції періоду спокою і виходу з нього. Ці гени вже виявлялися при аналізі транскриптомів інших зигнемових водоростей (J. de Vries et al., 2018. Embryophyte stress signaling evolved in the algal progenitors of land plants), але у водоростей з інших скарб їх не знаходили.

Автори обговорюваної статті вирішили подивитися, звідки ці гени виникли. Вони провели розширений пошук родичів генів сімейства GRAS за великими базами геномних даних з організмами з усіх царств і — на свій подив — виявили їх тільки у рослин, зигнемових водоростей і ґрунтовних бактерій. Це означає, що швидше за все мав місце горизонтальне перенесення генів, — процес, при якому обмін генами йде між неспорідненими організмами. За їхніми оцінками це горизонтальне перенесення відбулося близько 580 мільйонів років тому.

Серед бактерій горизонтальне перенесення генів — дуже поширене явище. Наприклад, так передаються гени стійкості до антибіотиків. У еукаріот горизонтальне перенесення генів відбувається набагато болісніше: адже генам потрібно пробиратися через мембрану ядра. Якщо ж вбудований ген прийшов з бактерії, то проблем ще більше, тому що гени еукаріот і прокаріот влаштовані злегка по-різному і гену-прибульцю доведеться до цього пристосовуватися для нормальної роботи. У той же час, кожен з нас несе в собі сліди таких переносів: це гени, які перекочували давним-давно з мітохондрій в ядерний геном. У рослин крім мітохондрій є ще одні стародавні внутрішньоклітинні симбіонти — хлоропласти, і їх гени теж частково були перенесені в ядро. Детально про горизонтальне перенесення генів від прокаріот до еукаріотів можна почитати, наприклад, у статті Як складався геном еукаріот: ендосимбіоз VS. безперервне горизонтальне перенесення.

Часто повідомлення про знайдені випадки горизонтального перенесення генів у еукаріот чекає досить сумна доля: їх спростовують, доводячи що зразки ДНК були контаміновані, тобто засмічені чужорідною ДНК або просто некоректно оброблені (про подібний казус з дослідженням геному людини можна прочитати в статті Поверх бар’єрів). Щоб уникнути закидів у тому, що їхні зразки просто-напросто виявилися засмічені бактеріями, дослідники зробили ряд заходів. Вони тримали водорості в чистій культурі без домішок інших організмів і перевіряли її на стадії виділення ДНК. Крім того, вони продемонстрували, що шуканий ген змінився і не повністю збігається з бактеріальною послідовністю. За довге життя в геномі водоростей він встиг обзавестися інтронами і правильними регуляторами.

Всі сучасні бактерії, у яких виявився GRAS-подібний білок, живуть у ґрунті, але хто саме подарував предкам рослин здатність захищатися від посухи — незрозуміло. Проблема полягає в горизонтальних переносах у бактерій: шукана послідовність виявилася в п’яти незалежних групах бактерій, і однозначно визначити серед них предка не виходить (рис. 3).

Ріс. 3. Філогенетичне дерево, побудоване дослідниками на підставі порівняння генів сімейства GRAS у різних організмів. Видно, що горизонтальне перенесення (HGT — скорочення від horizontal gene transfer) від грунтових бактерій (рожевий) стався у загального предка зигнемових (жовтий) водоростей і вищих рослин (зелений). Хто саме з цих нерідних бактерій послужив донором — поки незрозуміло, але найкраще на цю роль підходять дельтапротеобактерії, зокрема, предки Sorangium cellulosum: його послідовності GRAS найбільше схожі на аналоги у рослин. Зовсім далекі родичі за GRAS-генами (див. D. Zhang et al., 2012. Bacterial GRAS domain proteins throw new light on gibberellic acid response mechanisms), що відносяться до того ж суперсімейству метилтрансфераз, теж показані на малюнку (вони позначені сірим). Малюнок з обговорюваної статті в Cell

Виявивши перше горизонтальне перенесення, дослідники кинулися шукати аналогічні випадки і знайшли ще одне сімейство генів, яке потрапило до рослин і зигнемовим водоростям з ґрунтових бактерій. Ними виявилися гени PYR/PYL/RCAR, — ті самі рецептори абсцизової кислоти. Більше ніяких генів, перенесених від бактерій, їм виявити не вдалося.

Ці відкриття — ще одне свідчення на підтримку того, що рослини періодично запозичували для адаптації гени з інших організмів. Так, цілком можливо, що саме завдяки горизонтальному перенесенню рослини отримали YUC-гени, що беруть участь в синтезі важливого рослинного ауксину, і деякі інші (див.: J. Yue et al., 2014. Origin of plant auxin biosynthesis). Поки невідомо, наскільки вирішальним було запозичення генів GRAS і PYR/PYL/RCAR для виходу рослин на сушу, але зараз ці гени активно допомагають виживати їм в несприятливих умовах і дуже ймовірно, що вони допомагали їм і на ранніх етапах цієї експансії.

Джерело: S. Cheng et al. Genomes of Subaerial Zygnematophyceae Provide Insights into Land Plant Evolution // Cell. 2019. DOI: 10.1016/j.cell.2019.10.019.

Віра Мухіна