Генетичен "байпас", който е помогнал на тревите да се превърнат в едни от най-успешните растения на Земята, може да се е появил милиони години преди първите пшенични полета според ново проучване, публикувано в Science.
Чрез сравняване на геномите на тревите с тези на най-близките им живи роднини, изследователите са идентифицирали метаболитните иновации, свързани с производството на нишесте и лигнин - две съединения, които определят как растенията съхраняват енергия, изграждат биомаса и се конкурират за пространство. Констатациите предлагат ново обяснение защо тревите са доминирали в откритите ландшафти и в крайна сметка са се превърнали в основата на човешкото земеделие.
От извисяващите се стъбла царевица до наводнените оризови полета и поклащата се от вятъра златиста пшеница, тревните растения покриват огромни площи по целия свят и осигуряват повече от 40% от калориите, които хората консумират.
Техният еволюционен успех е поразителен, защото тревите могат да растат бързо, като същевременно произвеждат значителни количества лигнин, сложен структурен полимер, който укрепва растителните тъкани. Лигнинът е изобилен в дървесината и други бавнорастящи растения, където той укрепва клетъчните стени, но също така може да направи тъканите по-трудни за смилане и обработка. Тревите изглежда са съчетали силна структурна опора с необичайно ефективен растеж, а новите изследвания показват, че дублираните или алтернативни биохимични пътища са играли централна роля.
Изследователите отдавна се питат как тревите са се превърнали в толкова полезни растения и са изместили други видове, за да доминират в природния и земеделския пейзаж.
Сега, в нова статия, публикувана в Science, учени от Университета на Уисконсин-Мадисън в сътрудничество с учени от други институции, включително Университета на Джорджия, и изследователски организации във Великобритания и Япония, си отговарят на този въпрос.
Екипът се фокусира върху метаболитните пътища, които растенията използват, за да синтезират нишесте и лигнин. Нишестето е молекула за съхранение на глюкоза, която се натрупва в семената и други тъкани, осигурявайки енергия за покълване и ранно развитие. Лигнинът, за разлика от него, се отлага в клетъчните стени, където осигурява твърдост и помага на растенията да транспортират вода и да останат изправени. И двете съединения се произвеждат чрез мрежи от ензими, кодирани от множество гени, което прави възможно реконструкцията на тяхната еволюционна история чрез сравнителна геномика.
Изследователите също така откриват, че двата метаболитни пътя на тревите за създаване на лигнин, компонент на растителната биомаса, са еволюирали преди отделянето им от сродни нетреви, и идентифицират двете мутации, които са позволили това да се случи. Констатациите откриват потенциал за създаване на други растения, които да станат по-здрави и по-богати на енергия, което ще подобри земеделието и растителните биотехнологии.
Една от пречките, с които се сблъскват изследователите в разбирането на еволюцията на тревите, е липсата на геноми с референтно качество за тясно свързани нетревни видове, които са се отделили от тревите преди около 100 милиона години. Затова изследователите започват със секвениране на четири различни растителни вида - една трева (Pharus latifolius) и три тясно свързани нетревни вида (Joinvillea ascendens, Ecdeiocolea monostachya и Typha latifolia) - и сглобяват геноми с референтно качество и анотирани геноми за всеки от тях.
Joinvillea ascendens е близък роднина на треви, произхождащи от Океания и Хавайските острови. Кредит: Wikimedia Commons
Резултатите от изследването на нишестето разкриха основна разлика между Joinvillea и тревите. Нетревистият роднина притежава един-единствен път за синтез на нишесте, докато всички изследвани треви съдържат два. Допълнителният път изглежда произхожда от общия прародител на тревите, създавайки това, което изследователите описват като метаболитен байпас. В биохимични термини, байпасът може да осигури алтернативен път към същия краен продукт, намалявайки зависимостта от една-единствена последователност от реакции и потенциално увеличавайки общия поток на въглерод в нишестето. Изследователите предполагат, че тази иновация може значително да е увеличила капацитета на тревите да съхраняват енергия в семената и развиващите се тъкани.
Всички растения могат да произвеждат нишесте в своите пластиди, които са мембранно свързани органели, помагащи за производството на енергия и други молекули за растителните клетки, но тревите са уникални с това, че могат да произвеждат нишесте и в цитозола. За да изследва еволюцията на този метаболитен път на нишестето, екипът анализира 20 различни генни семейства, участващи в цитозолната биосинтеза на нишесте в тревните и нетревните геноми. Те откриват, че метаболитният път за производство на нишесте в цитозола трябва да е възникнал в резултат на събитието rho whole genome duplication (ρWGD), което е удвоило генома в общ прародител на всички треви.
Това предимство би могло да бъде особено силно в открити местообитания, където слънчевата светлина е в изобилие, но конкуренцията е интензивна. Семе с по-голям или по-бързо достъпен енергиен резерв може да покълне, да вкорени и да произведе листа, преди съседните растения да се развият напълно. След като започне фотосинтезата, младото растение може да генерира допълнителни захари, докато продължава да расте нагоре към светлината. В продължение на поколения, дори скромно подобрение в ранния растеж би могло да доведе до голямо еволюционно предимство. В селското стопанство същият механизъм може да е станал изключително ценен, защото хората са селектирали треви, които ефективно насочват въглерода в богати на енергия зърнени култури.
"Това вероятно е дало конкурентно предимство на тревите да растат в открити местообитания, където има подходящи условия за много растения заради обилното слънце", посочва Хироши Маеда (Hiroshi Maeda) от Университета на Уисконсин-Мадисън, един от ръководителите на изследването. "Това е една от потенциалните причини, поради които тревите са запазили този високоефективен път на нишесте. Същата тази метаболитна черта е била много полезна и за земеделието."
След това изследователите разглеждат пътищата на биосинтеза на лигнина, от които в тревите има два. Лигнинът подпомага растенията със структурна опора, защита срещу вредители и транспорт на вода. За изненада на екипа, тясно свързани нетревни видове също кодирали гените за двата пътя на биосинтеза. Чрез сравняване на геномните последователности на различните растителни видове, те откриват, че е възникнало дублиране на гена за ензима фенилаланин амонячна лиаза (PAL - phenylalanine ammonia lyase), преди събитието ρWGD да раздели тревите на техния собствен род. Този дублиран ген за PAL еволюирал във фенилаланин/тирозин амонячна лиаза (PTAL - phenylalanine/tyrosine ammonia lyase ), което позволило на тревите и нетревите да синтезират лигнин от фенилаланин и тирозин. Използвайки структурен анализ и насочена мутагенеза, изследователите се фокусирали върху два аминокиселинни остатъка, които били достатъчни, за да променят активността на PAL в тази на PTAL.
"Това означава, че всъщност можем да въведем подобни мутации в други растения, за да създадем този втори лигнинов път", обяснява Маеда.
Тези открития откриват потенциал за учените да проектират треви и други култури, които да произвеждат повече енергия чрез нишесте и по-голяма устойчивост и здравина с повишено производство на лигнин, с потенциал за по-ефективно земеделие и напредък в изследванията на растителните биотехнологии.
Справка:
- Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Food balance sheets: 2010 -2023. FAOSTAT Analytical Brief. 2025;112.
- Takeda-Kimura Y, et al. Genomes of Poaceae sisters reveal key metabolic innovations preceding the evolution of grasses. Science. 2026;393:eadv0443.
Източници:
How Grasses Supercharged Their Starch and Biomass Production, Stephanie DeMarco, PhD, the-scientist
Molecular bypasses boost grass lignin and starch synthesis, aiding evolutionary success, scienmag
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод