Chloroplast.ru

Эволюция генома хлоропластов растений

Внутривидовое разнообразие растений происходит из общего явления адаптации экотипов к локальным условиям обитания. Тем не менее, на удивление мало известно о генетических механизмах, лежащих в основе признаков, возникших в ходе адаптации, и участвующих в формировании экотипа.
Некоторые местообитания (высокогорья, полупустыни) характеризуются набором общих абиотических факторов, таких как увеличение уровня радиации при отсутствии облачности, повышенном содержании доли ультрафиолетовой части спектра (в частности, УФ-Б), резкими перепадами суточных температур воздуха и большими значениями экстремумов, низким уровнем влажности (сухостью воздуха и почвы). Флористический состав высокогорных, полупустынь, пустынь существенно отличается от других природных зон. Многие растения, населяющие их, не встречаются на равнинах, в лесах, в местах, содержащих достаточно влаги. Напротив, их ближайшие родственники (виды того же рода) не могут подниматься высоко в горы и не способны произрастать в аридных районах.

 

Вопрос - почему так происходит?

 

Очевидно, что устойчивость к условиям обитаний имеет отражение на генетическом уровне. Процессы адаптивной эволюции происходят не только в ядерном геноме, но и затрагивают геном хлоропластов (см., например Ometto, 2012; Ometto L, 2015). Факторы, которые напрямую влияют на фотосинтетический аппарат, приводят к воздействию естественного отбора на гены фотосинтетического аппарата хлоропластного генома. Например, при изучении природных популяций A. thaliana, было пока показано, что у растений из разных популяций (распространившихся в Великобритании вдоль железнодорожных путей протяженностью 400 км) сформировалась устойчивость к триазину - гербициду, который ингибирует фотосинтез, посредством взаимодействия с белком фотосистемы II, кодируемым геном psbA. Именно в этом гене была обнаружена мутация устойчивости к триазину (Flood, 2016).

Эволюция хлоропластного генома происходит и в процессе приспособления видов к произрастанию в высокогорных и аридных местообитаниях, поскольку отличающие их климатические факторы оказывают влияние на процессы фотосинтеза и функционирование хлоропластов. В многочисленных работах анализировалось влияние вышеперечисленных абиотических факторов, отличающих на клеточные мембраны хлоропластов, пигментный состав, ферменты фотосинтеза и фотодыхания см., например, (Kofidis, 2003; Lutz C. E., 2007; Lutz C. , 2010). Существует большое количество работ, связанных с изучением механизмов воздействия ультрафиолета на растительный геном, в том числе, на хлоропластный геном (Cannon, 1995; Suesslin, 2003; Tossi, 2012; Lario, 2013). 

Успехи методов высокопроизводительного секвенирования и биоинформатики позволили накопить информацию о полных последовательностей хлоропластных геномов высших растений разных систематических групп (около 1400 видов двудольных растений и около 650 видов однодольных). Однако для изучения эволюции, связанной с адаптацией к условиям обитания имеющихся данных недостаточно, поскольку большинство видов, для которых установлены последовательности хлоропластных геномы, относятся к равнинным видам или культурным сортам.
 

Наша команда занимается секвенированием и сравнительным анализом хлоропластных геномов близкородственных растений, адаптировавшихся к сильно различающихся по условиям местообитаниям   

(прежде всего, мы изучаем однодольные растения рода Allium (луки) и папоротникообразные порядка Polypodiales) 

при адаптации к экологической нише