Ученые раскрыли секрет появления хищных растений

Ученые из Соединенных Штатов Америки попытались ответить на вопрос, каким образом некоторые растения превратились в хищников. Как было установлено, значительная роль в данном процессе отведена многочисленным перестройкам хромосом. За счет этого организмы приобретают сложные ловушки, из которых жертва выбраться не в состоянии.

Одним из таких хищных растений является пузырчатка горбатая. Это растение в охоте на мелких водных насекомых использует пузыри-ловушки. В тот момент когда жертва прикасается к чувствительным волоскам на пузыре, ее мгновенно засасывает вместе с водой внутрь. Насекомое не может выбраться, поэтому умирает в пищеварительных соках растения.

По мнению исследователей, данное растение приобрело способность питаться насекомыми благодаря своему геному. В процессе эволюции происходит появление, исчезновение и перестройка генов, что приводит к изменениям организма. С ДНК растений-хищников произошло нечто, что послужило причиной превращения обычных цветов в настоящих монстров. А что именно произошло можно узнать по следам древних генетических событий, оставленных в геноме пузырчатки.

Это растение обладает относительно небольшим геномом. Иными словами, в ходе эволюции множество генов было удалено за ненадобностью, но среди сохранившихся были те, которые и превратили растение в хищника. Появились они вследствие изменений ДНК, делавших организм более устойчивым к условиям окружающей среды.

В том случае, если мутация затронет участок ДНК, который играет важную роль в жизнедеятельности растения, это послужит причиной поломки белка, который им кодируется. Несмотря на то, что мутация могла бы быть полезной и перестроить ген на выполнение других функций, зачастую она является вредной и может послужить причиной гибели организма. Впрочем, в некоторых случаях хромосомы в ходе копирования перестраиваются, в результате чего происходит удвоение участка ДНК – так называемая дупликация. Так образуется дополнительная копия гена, которую можно изменять в любых вариациях. Расположены эти гены-двойники рядом друг с другом, формируя тандемный повтор.

Иногда, отмечают ученые, происходит удвоение не какого-то определенного участка, а целой хромосомы или всего генома. Подобные события в процессе эволюции животных, растений и грибов происходили неоднократно. Кратное увеличение числа хромосом в организме получило название полиплоидии. В силу того, что происходит копирование всех генов, то, соответственно, увеличивается и число белковых продуктов, которые производятся ими. На первый взгляд, нет ничего плохого в том, что всего стало в два раза больше. На самом деле, в каждом организме действуют тонко настроенные механизмы, которые очень чувствительны к числу специфических белков. В случае возникновения избытка белков, это может стать причиной нарушений, которые снижают выживаемость и приспособляемость организмов.

В то же время, в процессе естественного отбора происходит удаление лишних копий, не приносящих никакой пользы. Если в организме присутствует два одинаковых гена, один из которых важен при одних условиях окружающей среды, а другой – в иных, природа, вероятнее всего, удалит тот ген, который не несет пользы в данной среде обитании.

Согласно результатам предыдущих исследований, у пузырчатки имеется крайне динамичный геном. Это растение перенесло по крайней мере несколько дупликаций всего генома с тех пор, как предки его отделились от линий, приведших к появлению помидоров, винограда и прочих видов. Помимо этого, пузырчатка достаточно быстро избавляется от дубликатов генов в результате естественного отбора.

Для того чтобы определить, какие именно гены превратили это растение в хищника, исследователи из Университета Нью-Йорка (Буффало, США) определили последовательность ДНК пузырчатки, использовав для этого метод одномолекулярного секвенирования в режиме реального времени. Данный метод был разработан компанией Pacific Biosciences. Суть его заключается в проведении наблюдений за работой полимеразы, являющейся ферментом ДНК. Данная молекула синтезирует цепь ДНК на основе другой цепи. Нуклеотиды, которые при этом встраиваются в образующуюся копию нуклеиновой кислоты, имеют различные флуоресцентные метки. Используя конфокальный микроскоп, ученые могли различать свет, который испускал нуклеотид, вставленный полимеразой, и таким образом определили всю последовательность ДНК.

Основное преимущество данного метода по сравнению с другими видами секвенирования заключается в способности расшифровать последовательность ДНК, длина которой составляет несколько тысяч нуклеотидов. Благодаря этому ученые собрали самый точный и полный геном пузырчатки. Затем исследователи определили тандемные повторы. То, что они, несмотря на очищающую способность естественного отбора сохранились, может свидетельствовать о том, что благодаря этим генам организм приобретает определенные эволюционные преимущества. Важную роль при этом играет то, что эти гены имеют несколько копий.

В отличие от тех механизмов, которые чувствительны к числу белковых продуктов, существуют определенные процессы, которые протекают значительно лучше и быстрее от того, что обслуживаются несколькими одинаковыми генами.

Учеными было установлено, что повторы включали в себя ДНК, отвечающую за синтез белков, в частности, протеазы. Данные ферменты способствуют расщеплению других белков и, вероятно, принимают участие в разложении органических веществ, которые составляют ткани жертвы. Помимо этого, была обнаружена ДНК, которая участвует в транспортировке пептидов из одной клетки в другую. В пузырях-ловушках все эти гены очень активны, что может указывать на их значительную роль в процессе переваривания пищи. Более того, ученые идентифицировали гены, которые связаны с обеспечением внутри пузырей нужного уровня кислотности и эластичности стенок.

По словам исследователей, чем больше транспортирующих белков и расщепляющих ферментов, тем процесс пищеварения будет протекать эффективнее. Белки, которые обеспечивают эластичность стенок, необходимы также в больших количествах, потому как внутри пузырей создается сильное отрицательное давление.

Согласно результатам исследования, в процессе образования видов растений-хищников важная роль отводится появлению лишних копий генов. Росянки, непентесы, пузырчатки и мухоловки растут, как правило, в тех местах, где очень мало минеральных веществ. Поэтому для выживания они нуждаются в эффективном извлечении органики из пойманных насекомых, что для тандемных повторов трудноосуществимо.