Геномы четырех родственников злаков прояснили эволюцию их метаболизма

Международная группа ученых под руководством Джеймса Х. Либенса-Мака из Университета Джорджии и Хироши А. Маэды из Висконсинского университета в Мадисоне секвенировала и собрала геномы четырех растений — Joinvillea, Ecdeiocolea, Typha и базального злака Pharus. Благодаря этому исследователи проследили, как у предковой линии злаков возникали ключевые метаболические особенности, и результаты работы опубликованы в журнале Science.

Одна из главных инноваций — способность синтезировать крахмал в цитозоле эндосперма семян. Как показал анализ, она связана с полногеномной дупликацией, произошедшей после разделения злаков с сестринскими группами, к которым относятся Joinvillea и Ecdeiocolea. Это событие позволило злакам увеличить содержание крахмала в запасающей ткани семян.

Второй важный признак — дополнительный путь синтеза лигнина — возник раньше, у общего предка злаков и их родственников. Тогда произошла дупликация гена PAL, а одна из копий после двух аминокислотных замен приобрела новую функцию PTAL. Эксперименты с направленным мутагенезом показали, что промежуточные варианты с одной заменой теряли эффективность в отношении исходного субстрата, но сохраняли умеренную активность к новому, а исходная копия гена позволяла им не исчезнуть в процессе эволюции.

Кроме того, авторы выяснили, что характерная для злаков форма фермента синтеза жирных кислот возникла после дупликации гена у общего предка злаков и их сестринских групп. В целом исследование демонстрирует, что метаболические особенности злаков формировались поэтапно, причем часть дупликаций случилась еще до появления самого семейства.