Клевер-улитка питается воздухом в прямом смысле этого слова: с помощью бактерий он получает азотное удобрение из атмосферы. Международная группа исследователей секвенировала геном этого растения, чтобы найти гены, отвечающие за его особую способность. Удвоение генома около 58 миллионов лет назад, по-видимому, стало решающим фактором для проявления этого полезного свойства, сообщают ученые в журнале Nature.
Улиточный клевер Medicago truncatula, как и другие бобовые, обладает особой способностью: он получает необходимое азотное удобрение из воздуха. В этом ему помогают бактерии - так называемые ризобии, живущие в особых узелках на корнях растений. «Эти микроорганизмы обладают способностью связывать атмосферный азот и делать его доступным для клевера-улитки», - говорит профессор Хайко Шооф из Института растениеводства и сохранения ресурсов Боннского университета.
Сожительство на взаимовыгодной основе
Клевер-улитка и ризобии извлекают выгоду из сообщества: растение получает желанное азотное удобрение и, следовательно, может процветать в бедных питательными веществами местах, бактерии привлекаются и питаются выделениями из корня клевера..
Почему растения «оплодотворяют» себя, а другие голодают? Ученые давно задавались вопросом, почему большинство бобовых имеют азотфиксирующие корневые клубеньки, в то время как большинство других семейств растений полагаются исключительно на питательные вещества из почвы.
Дупликация генома 58 миллионов лет назад
Международная группа из 30 ученых с участием Боннского университета и Института исследований в области селекции Макса Планка (MPI) в Кельне теперь более внимательно изучила геном клевера улиток. «При секвенировании генов Medicago truncatula мы обнаружили ряд участков генома, которые очень похожи и присутствуют дважды», - говорит биоинформатик Шоф из Боннского университета, который также работает в качестве приглашенного исследователя в MPI в Кельне. «У нас есть четкие доказательства того, что геном растения дублировался около 58 миллионов лет назад».
Дупликации такого рода уже наблюдались у кресс-салата (Arabidopsis thaliana). У клевера улиток, как теперь обнаружили исследователи, имеется особенно большое количество дубликатов генов, связанных с азотсвязывающими корневыми бактериями.
То, что звучит как «несчастный случай», имеет явные преимущества
Такие дупликации генома наблюдаются чаще - и не только у растений. По словам ученых, пока точно не ясно, как именно они образуются. «То, что изначально звучит как несчастный случай, имеет явные преимущества для клевера-улитки», - говорит биоинформатик. Затем набор генетического материала становится доступным для эволюции и может привести к новым приспособлениям к окружающей среде посредством изменений. Второй затем выполняет функцию резервной копии. Если модификация белка разрушает его первоначальную функцию, ее может продолжать выполнять «резервная копия». Затем измененный белок сохраняется, если его новая функция выгодна.
Исследовательская группа предсказала работу генов
Команда биоинформатика специально предсказала функции отдельных генов. «Мы сравниваем последовательности генов с известными белками», - сообщает Шуф. Эти белки происходят из разных организмов, и их функция была исследована.
«Таким белком может быть, например, фермент, который превращает очень специфическое вещество в организме», - говорит биоинформатик. Вместе со своей группой он работает над методами переноса известных функций белков на неизвестные последовательности.
Остались только определенные повторяющиеся гены
«В ходе эволюции многие дуплицированные гены исчезают относительно быстро, они не нужны для выживания растения», - сообщает Шуф. «Сохраняются в основном дубликаты, которые развивают новую функцию или роль». Это может дать ключ к пониманию того, какие функции представляли собой полезную адаптацию, например, способность включать азотфиксирующие бактерии в клевер улиток.
«Исследование дает нам глубокое понимание того, как растения приобретают такие особые свойства», - говорит биоинформатик. Это все еще фундаментальное исследование. «Азот был решающим фактором в сельскохозяйственном использовании растений с самого начала», - говорит Шуф. «Повышение эффективности фиксации азота может внести значительный вклад в повышение урожайности и устойчивости, например, в образование вредных для климата газов».
По словам исследователей, геном клевера улитки представляет собой важную ссылку, которая облегчает исследования различных бобовых, особенно тех, которые важны для сельского хозяйства.