Hvordan væksthormon hjalp planter kolonisere jord

Hvordan væksthormon hjalp planter kolonisere jord

Nadezhda Dmitrieva,
Novosibirsk State University
"Science and Life" №2, 2016

Jordplanter, efter al sandsynlighed, arvede metoden for biosyntese af det vigtigste væksthormon fra ikke-planteorganismer. Personalet i Novosibirsk State University sammen med kolleger fra SB RAS's institut for cytologi og genetik kom til denne konklusion med at sammenligne genomerne af alger, moser og højere jordplanter. Vi taler om auxin – "konge" af det hormonelle system af planter, der er ansvarlig for væksten af ​​deres væv og organer.

Et øjeblik går vi tilbage til omkring 400 millioner år siden (skønnet tid for planter at lande): Der er næsten ingen vegetation, nogle steder alger, landet ser ud som en ørken. Hvad er der sket siden da, fordi jordens form har ændret sig dramatisk? Vi ser den imponerende mangfoldighed og distribution af højere planter i hele næsten hele planeten. De er forpligtet til denne række innovationer, der er opstået fra deres gamle forfædre, når de forlader vand på land.

En af dem er evnen til at vokse hurtigt, danner forskellige organer og væv, afhængigt af scenen for planteudvikling og miljøforhold.En del af de metaboliske systemer, der ligger til grund for denne evne, lander planter, der er arvet fra algerne og i processen med videre udvikling, forbedres betydeligt. Oprindelsen af ​​dette og nogle andre nyskabelser er dog stadig et mysterium, da det ikke passer ind i rammerne for "standard" evolutionens model – vertikal arv fra forfædre til efterkommere.

Plante evolution diagram

Auxin syntetiseret af planter transporteres til de væv og organer, hvis vækst og udvikling er påkrævet. Det drejer sig om røddernes tips og bunden af ​​blade, stilke, blomster og så videre. For eksempel skyldes en af ​​plantens bemærkelsesværdige egenskaber – fototropisme (ændring af plantens organers vækst afhængig af belysningen) – som følge af biosyntese og auxintransport. Det antages, at jordplanter har så mange forskellige former netop på grund af dette hormons egenskab til at kontrollere vævstilvækst på det rette tidspunkt og på det rigtige sted.

Auxin er et stof der kontrollerer fototropisme (rettet vækst af planter mod lyskilden). Det syntetiseres af planten og transporteres til dets væv og organer, hvis vækst og udvikling er i øjeblikket mest nødvendige.

Tidligere blev det konstateret, at i højere planter involverer den vigtigste og mest signifikante vej for auxinbiosyntese, som muliggør akkumulering af den nødvendige koncentration af hormonet, hvor det er nødvendigt, deltagelse af tryptophan – en af ​​de aminosyrer, der danner proteiner. I denne proces syntetiseres auxin fra tryptophan under to på hinanden følgende reaktioner. Disse reaktioner styres af to enzymer – tryptophanaminotransferase (TAA) og flavin-afhængig monooxygenase (YUCCA).

Hvordan har moderne jordbaserede planter stammer fra denne biosyntesevej? Det er logisk at antage, at de arvede det fra alger, men de fandt ikke nogen beslægtede proteiner, der udfører funktionerne i TAA- og YUCCA-enzymerne. Dette betyder, at alger ikke kan syntetisere auxin selv med deltagelse af enzymerne TAA og YUCCA. Dette antyder antagelsen om, at i terrestriske planter opstod generne af tryptofanafhængig auxinbiosyntese i genomet ikke som et resultat af vertikal arv "fra forældre til efterkommere", men i processen med vandret genoverførsel fra organismer, der ikke er forfædre af jordplanter. Disse er svampe, protister eller bakterier.

Horisontal genoverførsel er en usædvanlig evolutionsmekanisme, hvor ikke-beslægtede organismer kan udveksle DNA. Det er meget almindeligt hos bakterier og sjældent hos dyr (for eksempel insekter). I planter er tilfælde af vandret overførsel kendt for videnskab sjældne, men for nylig begyndte information om dem at blive mere og oftere. Som regel er det en udveksling af gener mellem en plante og dens parasit eller symbiont.*, om det er en bakterie, en svamp eller en anden plante.

Lad os kort komme tilbage til det imaginære billede af livet på Jorden omkring 400 millioner år siden. Forfædrene til levende planter, som formodentlig var placeret i vandige kystkroppe af vand sammen med forskellige bakterier, blev udsat for mere intens ultraviolet stråling end de gør nu. Trods alt var tykkelsen af ​​det beskyttende ozonlag i atmosfæren meget mindre moderne. Et meget ugunstigt miljø, og som følge heraf blev de overlevelsesmekanismer, der blev erhvervet af kroppen under disse forhold, konsolideret og forbedret. Som en følge heraf fremkom en effektiv metode til auxinbiosyntese.

Haraway alger (Klebsormidium flaccidum) under mikroskopet. Foto høflighed af Leer Gaisina, Bashkir State Pædagogisk Universitet. M. Akmullah

For første gang blev en hypotese om oprindelsen af ​​TAA- og YUCCA-enzymerne i terrestriske planter ved vandret overførsel fra ikke-planteorganismer udtrykt i 2014. Hypotesen var forfattet af kinesiske forskere Jeepy Yu og hans kolleger, der offentliggjorde deres arbejde i tidsskriftet Trends in Plant Sciences. Men et par måneder senere blev denne version blevet stillet spørgsmålstegn ved en anden gruppe kinesiske forskere, Chuninin Wang og medforfattere. I det sekventerede genom af multicellular charoal alga Klebsormidium flaccidum de fandt sekvenser, der ligner generne til enzymerne TAA og YUCCA, som kontrollerer hoved-auxinbiosyntesepaden i jordplanter. Hvis disse data er korrekte, skal forfædrene til jordplanter og multicellulære alger have haft gener, som ligner TAA- og YUCCA-enzymerne. Dette ville bekræfte hypotesen om den vertikale arv af auxinbiosyntesepaden ved moderne jordbaserede planter fra multicellulære alger.

Det var dog ikke så nemt. Den ledende forsker ved Novosibirsk State University Dmitry Afonnikov sammen med kolleger fra Institut for Cytologi og Genetik af SB RAS Igor Turnayev og Konstantin Gunbin besluttede at kontrollere resultaterne af begge værker ved hjælp af bioinformatik metoder.Det viste sig, at en af ​​sekvenserne i genomet af en multicellulær alger, som ligner TAA-enzymet genet, ikke koder for dette enzym.

Phylogenetisk analyse viste, at en sekvens svarende til TAA koder for en anden type enzymer, allinase, hvis deltagelse i væksthormonbiosyntese endnu ikke er blevet etableret.

De opnåede resultater viser, at det sandsynligvis er i multicellulære alger Klebsormidium flaccidum Mekanismen for auxinbiosyntese, ligesom jordplanter, eksisterer ikke. Det er mere sandsynligt, at hovedvejen for auxinbiosyntese er arvet af højere planter netop gennem horisontal genoverførsel. Denne begivenhed fandt sted hos de gamle forfædre af jordplanter angiveligt på tidspunktet for deres frigivelse til landet, hvilket gjorde det muligt for deres efterkommere at spredes over hele verden i den mangfoldighed, som vi nu ser. For endelig at besvare spørgsmålet om oprindelsen af ​​væksthormonbiosyntesens forløb skal man ud over bioinformatik inddrage eksperimentelle metoder. Måske vil dette hjælpe store projekter med sekvensering af plantegener, som f.eks 1Kplant**, med hvilken genomerne af tusindvis af planter blev afkodet.


* Symbionts er organismer af to forskellige typer, der findes i lang, tæt og gensidig fordelagtig samliv.

** projekt 1Krlanteller 1000 planter– Internationale tværfaglige sammenslutning af videnskabelige organisationer. Takket være hendes aktiviteter blev genomerne af tusindvis af planter læst. Dataene er tilgængelige for alle interesserede organisationer og forskere til analyse. Dette giver os mulighed for at sammenligne og udforske genomerne af et stort antal planter og måske bringe os tættere på en forståelse af, hvilke evolutionære mekanismer der tegner sig for plantens mangfoldighed.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: