Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Подробная и почти что детективная история изменения взглядов на пути появления триптофан-зависимого биосинтеза ауксина у растений изложена в интервью с ведущим научным сотрудником лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики Новосибирского государственного университета, кандидатом биологических наук Дмитрием Афонниковым (рис. 1).

— Дмитрий Аркадьевич, в вашей статье в журнале Trends in Plant Science [1] проводятся анализ и сравнение геномов водорослей, мхов и высших наземных растений. Расскажите, какая связь между ними и в чем 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 у ученых. Часть таких метаболических систем была унаследована наземными растениями от водорослей и в процессе дальнейшей эволюции значительно усовершенствована (рис. 2). Однако происхождение некоторых инноваций до сих пор остается загадкой, поскольку не укладывается в рамки «стандартной» модели эволюции — вертикального наследования от предков к потомкам.

— 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 необходимы (это и кончики корней, и основания листьев, сами стебли, 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 (рис. 3).

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

— Да, именно так. Причем было установлено, что основной и наболее значимый путь биосинтеза ауксина, позволяющий нарастить нужную (как правило, высокую) концентрацию гормона там, где это необходимо, у высших растений связан с триптофаном (одной из аминокислот, формирующих белки). В этом случае ауксин синтезируется из триптофана 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 посредством ферментов TAA/YUCCA. Следовательно, можно предположить, что у наземных растений путь эффективного триптофан-зависимого 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 этот горизонтальный перенос генов? Представляется, что воздушно-капельным путем...

— Горизонтальный перенос генов — необычный механизм эволюции, при котором организмы, не состоящие «в родстве», могут обмениваться ДНК [2]. 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 гриб, 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 эффективного биосинтеза ауксина у наземных растений, путем горизонтального переноса от нерастительных организмов была высказана год назад. Авторами гипотезы были китайские ученые — Джипей Ю и его коллеги, опубликовавшие свою работу в журнале Trends in Plant Sciences в 2014 году [3]. Однако спустя несколько месяцев эта версия была подвергнута сомнению другой группой китайских исследователей — Я-Юном Вангом и его соавторами [4]. В только что секвенированном геноме многоклеточной харовой водоросли Klebsormidium flaccidum (рис. 4, 5) они обнаружили последовательности, очень похожие на гены ферментов, контролирующих основной путь биосинтеза ауксина у наземных растений (TAA и YUCCA).

— Вторая группа исследователей опровергла исследования первой и предположила, что эффективный триптофан-зависимый путь биосинтеза 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, родоначальники этих ферментов обязаны были существовать у общего предка наземных растений и многоклеточных водорослей. Это подтверждало бы вертикальное наследование пути биосинтеза ауксина от многоклеточных водорослей современными наземными растениями.

— 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 ген фермента TAA, контролирующего эффективный биосинтез ауксина, скорее всего, этот фермент не кодирует. 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.

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

— Поскольку вышеописанный путь биосинтеза ауксина требует обязательного наличия двух ферментов, полученные нами результаты демонстрируют, что, вероятнее всего, у многоклеточных водорослей Klebsormidium flaccidum такого пути биосинтеза этого гормона, как у наземных растений, нет. Следовательно, наши результаты говорят в пользу гипотезы первой группы исследователей. Все-таки более вероятно, что основной путь биосинтеза ауксина был унаследован высшими растениями именно посредством 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 геном дальше — по второму белку-ферменту YUCCA, ответственному за биосинтез ауксина, и по другим белкам тоже.

Первоначально интервью было опубликовано на сайте НГУ [5].

Литература

1. Turnaev I.I., Gunbin K.V., Afonnikov D.A. (2015). Plant auxin biosynthesis did not originate in charophytes. Trends Plant Sci. 20, 463–465;
2. Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов;
3. Yue J., Hu X., Huang J. (2014). Origin of plant auxin biosynthesis. Trends Plant Sci. 19, 764–770;
4. Wang C., Liu Y., Li S.S., Han G.Z. (2014). Origin of plant auxin biosynthesis in charophyte algae. Trends Plant Sci. 19, 741–743;
5. Дмитриева Н. (2015). Загадки эволюции растений. Сайт Новосибирского государственного университета..