Мир 500 миллионов лет назад выглядел совсем иначе, чем сегодня. Земля была голой, и только бактерии, грибы и водоросли могли выжить на ней. Все остальное обитало в океане, но как только растения переселились на сушу, они изменили почти все на поверхности Земли. Они помогли создать почву, реки и богатую кислородом атмосферу, которая в конечном итоге позволила животным жить жизнью вне воды.
Новое исследование, недавно опубликованное в журнале Current Biology, показало, что всплески новых генов помогли растениям совершить переход от воды к суше. Первые наземные растения, как и сегодняшняя флора, состояли из множества клеток с множеством функций, которые контролировались тысячами генов, сделанных из ДНК. Ученые сравнили полные наборы генов живых видов растений, начиная от пшеницы и заканчивая киноа, и смогли обнаружить гены, которые впервые позволили растениям колонизировать Землю и навсегда изменить жизнь на Земле.
“Мы обнаружили, что две большие группы генов появились у растений во время перехода на сушу. Это означает, что Эволюция наземных растений была обусловлена появлением новых генов, ранее не наблюдавшихся у близких родственников. Мы знаем это, потому что естественный отбор удаляет гены, которые не являются существенными для функционирования организма, поэтому, если бы эти гены не играли важную роль, они были бы потеряны”, — говорит автор исследования Александр Боулз.
Интересно, что эти новые гены обнаружены в целом наборе наземных растениях, который включает цветущие растения (томат, рис и орхидея), а также нецветущие растения (хвойные, гинкго и мох). Это говорит о том, что эти гены были решающими для выживания растений на суше, но как они помогли предшественникам наземных растений адаптироваться к их новой среде обитания?
Когда наземные растения эволюционировали, количество новых генов в растительном царстве буквально взорвалось.
Первые сухопутные растения
Зеленые водоросли относятся к числу ближайших живых родственников первых наземных растений и в основном встречаются в водных экосистемах, таких как океан и реки. Они способны поглощать воду и питательные вещества из окружающей среды. Когда растения впервые колонизировали Землю, они нуждались в новом способе доступа к питательным веществам и воде, не погружаясь в нее.
Исследователи нашли гены, которые помогали ранним наземным растениям делать это, развивая ризоиды – корневые структуры, которые помогали им оставаться закрепленными в земле и получать доступ к воде и питательным веществам. Они также определили гены, участвующие в гравитропизме, что помогает корням расти в правильном направлении. В конце концов, жизнь вне воды означала бы необходимость знать, какой путь лежит вниз. Эти новые гены помогли растениям координировать рост ризоидов вниз и обеспечить рост побегов, чтобы максимизировать количество света, которое они могут поглощать.
Переход растений от воды к суше происходил в ландшафте с экстремальной жарой и светом, и с небольшим количеством воды. Выявленные учеными гены позволили ранним наземным растениям адаптироваться к стрессу жизни вне воды, гарантируя, что они смогут утвердиться и выдержать эти суровые условия.
Большое различие между наземными растениями и их близкими родственниками, зелеными водорослями, заключается в том, что наземные растения развивают эмбрионы. Во мхах и папоротниках этот эмбрион принимает форму споры, в то время как во многих других растениях это семя. Мы нашли гены, которые позволили первым наземным растениям произвести и защитить эти эмбрионы с помощью специализированных тканей, ограничивающих повреждение от ультрафиолетового света и тепла.
Защищая эмбрион, растение увеличивает вероятность передачи своих генов следующему поколению, что делает их более вероятными для рассеивания и выживания и позволяет наземным растениям колонизировать бесплодный ландшафт.
Александр Боулз поясняет: “Перемещение растений из воды на сушу является одним из самых значительных сдвигов в истории жизни на Земле. Число новых генов, появившихся в результате эволюции наземных растений, намного больше, чем в любой другой точке эволюционной истории растений, даже больше, чем те, которые пришли с цветущими растениями.”
Этот всплеск новых генов отмечает, пожалуй, самое важное эволюционное развитие в истории растительной жизни. Ранее ученые считали, что постепенные изменения на генетическом уровне лежали в основе появления растений на суше. Теперь мы знаем, что первые наземные растения смогли произвести эмбрион, выдержать ряд экологических стрессов и закрепиться на Земле благодаря взрыву генетических инноваций. Эти новые гены позволили растениям доминировать на суше, разнообразиться до более чем 374 000 видов и сформировать современные экосистемы, которые мы видим сегодня во всем мире.