Геном растений сохранил историю освоения суши

На протяжении большей части истории Земли суша оставалась безжизненной. Ученые считают, что среди растений «первопроходцами» на ней стали небольшие и примитивные предки мхов, которые приобрели необходимые адаптации водного обмена примерно 500 миллионов лет назад. Это стало первым шагом на пути к продвижению растений вглубь материков и их огромному разнообразию на современной Земле.

Сейчас наземные (или высшие) растения распространены повсеместно. Все они потомки единственной древней водоросли, однако за прошедшие полмиллиарда лет очень сильно изменились. Исследователи из Университета Эссекса (Великобритания) решили разобраться с их эволюционной историей. Ученые рассмотрели 532 вида из различных систематических групп, включая геном и транскриптом (совокупность молекул РНК).

Первые растения суши были вынуждены обеспечивать себе воду и элементы питания совсем не так, как это делали их предки-водоросли — напрямую впитывая из окружающего раствора. В новой среде обитания растениям также пришлось стать крупнее и прочнее.

Биологи уверены, что первым шагом на пути растений к полноценной жизни на суше стало возникновение устьиц — микроскопических пор на зеленых листьях и стеблях. Их открывание обеспечивает поступление в ткани необходимого для фотосинтеза углекислого газа, а закрывание предотвращает избыточное испарение воды.

У водорослей устьиц нет, но они есть у мхов — самых примитивных наземных растений. Согласно новой статье в журнале New Phytologist, эти структуры возникли в процессе эволюции всего один раз: самые первые «сухопутные» растения уже имели все необходимые для формирования устьиц гены.

И все же одних устьиц недостаточно: необходимы механизмы, регулирующие их работу. Авторы считают, что закрывать устьица научились уже первые наземные растения. Однако у их потомков этот процесс происходит быстрее благодаря так называемой дупликации генов. Во время этого процесса возникают две копии одного гена, одна из которых сохраняет исходную функцию, а вторая может приобрести новую.

Помимо устьичного аппарата, на суше растениям потребовались также специализированные проводящие ткани. Благодаря им вода с растворенными веществами может перемещаться по растению гораздо эффективнее. Согласно новой статье, возникновение таких тканей связано не с новыми генами, а с изменением функций уже имевшихся.

Водоросли поглощают воду и элементы питания всей поверхностью прямо из водоема. На суше это невозможно, поэтому высшим растениям потребовались корни, с помощью которых они закрепляются в почве и впитывают необходимые растворы.

Оказывается, с корнями связаны два отдельных эволюционных события. Первое — появление корневых волосков, микроскопических выростов с большой удельной поверхностью. Волоски возникли намного раньше и присутствовали уже у общего предка всех наземных растений. Второе событие — образование корня как крупного самостоятельного органа — произошло намного позже. Далее у растений возникли еще и боковые корни, которые сделали корневую систему более эффективной.

Выходит, эволюция высших растений происходила поэтапно и была связана с несколькими важными изменениями в их строении. Авторы исследования подчеркивают, что движущей силой эволюции растений следует считать именно регуляцию водного обмена и что их выводы могут быть полезны для сельского хозяйства.