Солнечный свет обеспечивает растения энергией, но одновременно подвергает их воздействию опасного ультрафиолетового излучения. Чтобы выжить, растения вынуждены балансировать между ростом и защитой. В ходе эволюции они выработали защитную систему, основанную на ключевом фоторецепторе UVR8, который улавливает ультрафиолет.
Как первые древнейшие наземные растения научились защищаться от ультрафиолета
Солнечный свет необходим растениям для фотосинтеза, но избыток ультрафиолета повреждает их ДНК и разрушает мембраны клеток. Ученые исследовали древний мох маршанцию изменчивую (Marchantia polymorpha), чтобы понять, как сформировалась система защиты. Исследование показывает, как за 400 миллионов лет эволюции перестраивались механизмы адаптации к световому стрессу.
Marchantia polymorpha. Википедия
Ультрафиолет и живые клетки. Для защиты от ультрафиолета растения не просто перестраивают работу генов, но и создают настоящие химические фильтры. Они синтезируют особые фенольные соединения, такие как флавоноиды, которые работают аналогично солнцезащитному крему у людей. Эти молекулы накапливаются в верхних слоях тканей и эффективно поглощают опасные лучи, пропуская при этом видимый свет, необходимый для фотосинтеза.
Мхи на острове Сигни, расположенном недалеко от Антарктиды.
Когда этот сенсор поглощает лучи, он запускает каскад молекулярных реакций. Этот процесс меняет активность множества генов и стимулирует выработку особых соединений, помогающих организму адаптироваться к жесткому излучению. У цветковых растений в этот процесс вовлечены несколько регуляторных белков. Долгое время оставалось загадкой, как именно эволюционировала эта сложная оборонительная стратегия. В этом разобрались ученые Женевского университета. Работа опубликована в журнале Plant Physiology.
Биологи обратились к маршанции изменчивой — древнейшему мху, чьи предки первыми колонизировали сушу сотни миллионов лет назад. Исследователи доказали, что базовый механизм активации и деактивации рецептора UVR8 остался практически неизменным от древнейших мхов до современных цветковых культур. Это говорит о невероятной консервативности жизненно важного ядра системы, которая защищает флору планеты с момента выхода из океана на сушу.
Революция регуляторных белков
Фонтанная печеночница (Marchantia polymorpha) — древнее наземное растение, которое прекрасно растет в постоянно влажной и затененной среде.
Но детальный анализ выявил глубокие различия в том, как отдельные компоненты взаимодействуют друг с другом у разных видов. Выяснилось, что в процессе эволюции организация и тонкая настройка защитной системы постоянно перестраивались.
Например, белок SPA, который у цветковых растений активно управляет ростом в связке с центральным регулятором COP1, у древнего мха выполняет совсем другую функцию. Эксперименты показали, что мутантные формы маршанции, лишенные этого белка, демонстрируют даже повышенную устойчивость к ультрафиолету.
Это означает, что на ранних этапах эволюции этот элемент работал скорее как тормоз оборонительной реакции, а не как ее ускоритель. Руководитель исследования, профессор Роман Ульм отмечает: «Наши результаты показывают, что хотя фундаментальные "строительные блоки" системы присутствовали на самых ранних этапах эволюции растений, их организация и регуляция постепенно видоизменялись».
Подобные открытия критически важны сегодня: в условиях глобальных изменений климата они помогают понять, как растительный мир будет справляться со сменой светового режима и экологическим стрессом.