Древние растения научились защищаться от ультрафиолетового излучения

Фото из открытых источников

У растений есть общий молекулярный сигнал тревоги, который срабатывает, когда солнечный свет становится опасным. Один и тот же основной сенсор — белок, который расщепляется на две части при попадании вредных ультрафиолетовых лучей, — присутствует во всем, от садовых цветов до лесных папоротников, и биологи предположили, что он работает примерно одинаково везде.

Новые исследования одной из старейших ныне живущих линий растений говорят об обратном. Результаты исследования опубликованы в журнале Plant Physiology.

Растения не могут просто спрятаться от солнца. Им нужен свет для фотосинтеза — процесса, в результате которого свет, вода и воздух превращаются в сахар и кислород, — однако часть этого же света работает против них.

Вредное излучение — это УФ-В-излучение, которое разрушает клеточные механизмы живых организмов. Оно повреждает ДНК растений и ослабляет мембраны вокруг каждой клетки — тот же тип повреждения, который вызывает покраснение кожи у человека. Чтобы справиться с ситуацией, растения выработали систему раннего предупреждения, основанную на светочувствительном датчике, называемом фоторецептором.

Белок UVR8, отвечающий за поглощение УФ-В-излучения, меняет свою форму в момент попадания света и активирует гены, отвечающие за синтез соединений, подобных солнцезащитным кремам.

Согласно предыдущему исследованию, эта защитная реакция имеет решающее значение для выживания в условиях солнечного света.

Чтобы выяснить, откуда взялась эта защитная реакция, исследователи обратились к растению, которое практически не изменило свой образ жизни за сотни миллионов лет. Печеночный мох Marchantia polymorpha представляет собой низкорослый, плоский зеленый куст, прижимающийся к влажной, тенистой почве.

Его семейство отделилось, когда более 400 миллионов лет назад первые растения выползли из воды на сушу. Это делает его живым аналогом одной из самых ранних растительных форм на Земле.

Команда, проводившая это исследование, потратила годы на изучение того, как растения воспринимают свет.

Группа исследователей под руководством профессора Романа Ульма из Женевского университета (UNIGE) поставила перед собой задачу выяснить, как устроена система сигнализации об ультрафиолетовом излучении типа В в этом древнем растении.

Когда исследователи сопоставили систему УФ-В излучения печеночника с системой цветковых растений, ее ядро оказалось практически идентичным. Один и тот же датчик включается одним и тем же способом, а затем выключается посредством той же процедуры перезагрузки.

Это совпадение позволяет предположить, что базовый переключатель включения/выключения для обнаружения УФ-В излучения уже существовал у общего предка каждого наземного растения. Защитный механизм должен не только включаться, но и выключаться.

Этот процесс был описан в предыдущих исследованиях на цветковых растениях, в том числе в одной статье, посвященной участвующим в нем белкам. Обнаружение того же механизма перезагрузки у древних печеночников показало, что весь цикл реакции на УФ-В излучение восходит к самым ранним наземным растениям. Сам основной коммутатор остался практически без изменений.

У цветковых растений, таких как кресс-салат Таля, регуляторный белок SPA тесно взаимодействует с основным контролирующим белком COP1, управляя как ростом, так и реакцией растения на световой стресс. В этом древнем печеночном мхе также присутствуют оба белка, и именно здесь исследователи сделали неожиданное открытие.

У печеночников SPA практически не оказывает никакого воздействия. Когда исследователи выращивали растения без него, эти растения лучше переносили УФ-В излучение, чем обычные – что прямо противоположно тому, что можно было бы ожидать от их цветковых родственников.

Это открытие переворачивает роль SPA с ног на голову. У цветковых растений этот белок помогает координировать рост и реакцию на свет, но у печеночников он действует скорее как тормоз защиты от УФ-В-излучения.

До этого исследования никто не проверял, какое действие оказывает SPA на растение такого возраста. Тот факт, что система выполняет скорее функцию тормоза, чем привода, говорит о том, что ее компоненты могут оставаться неизменными по форме, в то время как их функции незаметно меняются со временем.

SPA был не единственным белком, выполнившим другую роль. Другой регулятор, помогающий координировать защиту от УФ-В-излучения у цветковых растений, по-видимому, играл гораздо меньшую роль у печеночников.

Полученные результаты складываются в одну закономерность. Самые древние части системы УФ-В излучения существовали еще до появления наземных растений, в то время как окружающие их структуры перестраивались и перераспределялись на протяжении сотен миллионов лет, отметил профессор Ульм.

Изучение растения, рассматриваемого в качестве ключевой модели для ранних наземных растений, позволяет сделать то, что недоступно цветковым растениям. Это позволяет отделить древние элементы системы обороны от более поздних изменений, появившихся после того, как растения стали расти в более ярких и суровых условиях.

До этой работы защита от УФ-В-излучения изучалась почти исключительно на современных цветковых растениях, поэтому история её раннего развития оставалась предметом предположений.

Теперь есть прямые доказательства того, что основной датчик устарел, а его управляющая проводка разошлась между группами растений.

Эта история – не просто любопытный факт, учитывая изменение климата. Потепление и изменения климата влияют на количество ультрафиолетового излучения, достигающего растений, а в некоторых регионах уже наблюдается более интенсивное солнечное излучение, чем то, к которому приспособлены их растения в процессе эволюции.

Понимание того, какие элементы защиты растений от ультрафиолетового излучения являются гибкими, а какие остались неизменными, может помочь исследователям выявить сельскохозяйственные культуры и дикие виды, лучше приспособленные к интенсивному солнечному свету.

Это также может выявить новые способы усиления этих защитных механизмов путем корректировки регуляторных мер, формирующих ответную реакцию.