Повилика синхронизировала время цветения с хозяином с помощью ворованных белков

Формирование цветов у паразитического растения повилики запускается белками, позаимствованными у хозяина. Это позволяет синхронизировать цветение обоих растений. К такому выводу пришла команда ботаников, проанализировав геномы двух видов повилики. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Цветение многих растений регулируется факторами окружающей среды, в первую очередь, длиной светового дня. Под воздействием солнечного света в листьях синтезируются белки Flowering Locus T (FT), которые транспортируются к верхушке побега и запускают развитие цветка. Однако некоторые растения-паразиты лишены листьев — и, несмотря на это, им удается выбрать правильное время для цветения. Более того, некоторые повилики (Cuscuta) даже синхронизируют его с появлением цветов у растения-хозяина.

Команда ученых во главе с Цзяньцянем У (Jianqiang Wu) из Института ботаники в Куньмине решила выяснить, как повилики определяют, что настало время цвести. Из предыдущих исследований им было известно, что эти паразиты воруют у хозяев не только воду и питательные вещества, но и регуляторные молекулы, например, РНК и белки. Поэтому специалисты предположили, что повилика может запускать развитие собственных цветов с помощью FT, которые выработало хозяйское растение.

Чтобы проверить данную гипотезу, авторы проанализировали геномы двух видов повилик, C. australis и C. campestris. Ранее для первого вида уже было продемонстрировано отсутствие 25 важных генов, гомологи которые у других растений регулируют цветение, — например, ELF3, ELF4, FLC, FRI, SVP, AGL17 и CO. 

Новый анализ показал, что ген FT у повилик также не функционирует. У обоих видов в нем была найдена крупная транспозоноподобная вставка, которая отсутствует у фотосинтезирующих растений, включая ипомею (Ipomoea nil) — довольно близкого родственника повилик. Попытки выявить экспрессию гена FT на разных этапах развития C. australis (в том числе во время цветения) окончились безрезультатно. 

Когда FT-ген повилики C. australis встроили в геном резуховидки (Arabidopsis thaliana), он также не производил белок, даже при подавленной экспрессии собственного гена FT в растении-реципиенте. Добиться его синтеза удалось лишь после внедрения соответствующей матричной РНК. Однако даже это не повлияло на время цветения резуховидки, поэтому авторы сделали вывод, что FT-белок повилики не функционален. Сравнение последовательностей белков FT показало, что у обоих видов повилик в них мутировали две очень консервативные аминокислоты. Вероятно, это и стало причиной поломки. 

На следующем этапе авторы заразили повиликой C. australis три вида растений, чье цветение синхронизировано с фотопериодом: дикий томат (Solanum pennellii), огурец (Cucumis sativus) и табак. Представители этих видов зацвели на 87, 75 и 35 день, а их «нахлебники» — на 92, 79 и 40 дни соответственно. Аналогичные результаты были получены с несколькими сортами сои. Когда повилику подселили на сою с избыточной экспрессией белка FT, паразит зацвел быстрее. Напротив, на табаке, у которого ген FT отключили, повилика вообще не зацвела и вскоре погибла.

Чтобы проверить, действительно ли повилика ворует у хозяев белок, который регулирует цветение, авторы провели более сложный эксперимент. Они внедрили в табак FT-ген резуховидки, причем не обычный, а с последовательностью, кодирующей зеленый флуоресцентный белок. Затем трансгенные растения и табак дикого типа заразили повиликой.

Табак из обеих линий выращивали в условиях, которые подавляли синтез их собственного FT. При этом их листья обрабатывали эстрадиолом, который запускал экспрессию FT-гена резуховидки. Как и ожидалось, авторы обнаружили следы флуоресцентного белка у трансгенных экземпляров. Более того, следы флуоресцентного белка удалось зафиксировать в стеблях повилики, которая росла на табаке из экспериментальной группы. Табак дикого типа из контрольной группы так и не зацвел — как и паразитирующая на нем повилика. 

Дополнительные эксперименты с соей подтвердили, что концентрация FT-белков (у сои их два) у растения-хозяина и повилики синхронизированы. Кроме того, авторы продемонстрировали способность FT-белков резуховидки и сои связываться с фактором транскрипции FD, выделенным из повилики. Последний активирует гены, которые участвуют в запуске цветения. Дополнительные доказательства, что FT хозяина активирует формирование цветов у паразита, были получены с помощью секвенирования РНК. Авторы допускали, что в основе этого механизма может лежать не сам белок, а его матричная РНК, однако анализ опроверг эту идею. 

Синхронизация цветения с хозяином известна для еще одного вида повилик, C. europaea, который приходится довольно отдаленным родственником C. australis и C. campestris. По мнению авторов, это указывает, что «воровство» белков, отвечающих за цветение, появилось у повилик уже на ранних этапах эволюции рода. С помощью этой стратегии паразитические растения могут наиболее эффективно использовать ресурсы, предоставляемые хозяином. Если повилика зацветет раньше хозяина, то не сможет произвести достаточно семян, а если позже, то рискует не успеть закончить жизненный цикл.

Паразитический образ жизни порой приводит к радикальному упрощению генома. Например, в пластидах двух паразитических растений из рода Balanophora осталось всего 19 генов. Остальные исчезли за ненадобностью, ведь к фотосинтезу они не способны. 

Сергей Коленов