7 Minutės
Kai kurios augalų rūšys seniai atsisakė saulės šviesos, bet vis tiek išliko. Nauja genetinė studija atskleidžia, kad parazitinio genuso Balanophora atstovai sumažino plastidų genomus (plastomas), kurie įprastai palaiko fotosintezę, iki labai mažo liekaninio plastomo — tačiau šie neįprasti augalai išgyvena siurbdami maistines medžiagas iš medžių šaknų ir elgdamiesi labiau kaip grybai negu lapiniai augalai.
Balanophora subcupularis, viena iš tyrime tirtų rūšių.
Ką atrado mokslininkai
Tyrėjų komanda paėmė mėginius iš septynių Balanophora rūšių iš 12 atokių populiacijų Taivane ir Japonijoje ir sekvence išanalizavo jų plastidų genomus, vadinamus plastomomis. Plastidai yra ląstelės organelės, kurios daugeliu atvejų neša genus, susijusius su fotosinteze ir tam tikrais metaboliniais procesais. Balanophora atveju plastomos dydis sumažėjo maždaug dešimteriopai: kai daugumos sausumos augalų plastomos siekia 120 000–170 000 bazių porų, šių parazitų plastomų diapazonas yra vos apie 14 000–16 000 bazių porų.
Toks mažas genetinis rinkinys nepakanka šviesos pavertimui cheminė energija tradicine prasme. Vietoj to, likę plastidų genai, atrodo, palaiko ne-fotosintetinį metabolizmą ir pagrindines „namų ūkio“ funkcijas, būtinas parazitiniam gyvenimo būdui. Kitaip tariant, Balanophora atsisakė didelės dalies genetikos, kuri įprastai apibrėžia žalią augalą, tačiau išsaugojo pakankamai plastidų funkcijų, kad galėtų išgyventi nevadovaudama fotosintezės proceso ir nepastatydama savo energetinio pagrindo patiems angliavandeniams gaminti.
Be kiekybinių plastomos matmenų, palyginamoji genomika rodo, kad sumažėjimas apėmė tiek genų praradimą, tiek restruktūrizaciją: sintezės kompleksų genai, susiję su fotosistema I ir II, elektronų pernaša ar NADPH gamyba, yra praradimo ar funkcijos netekimo pavyzdžiai, tuo tarpu kai kurie translacijos aparatai, ribosominiai baltymai bei tam tikros tRNR sekos išliko. Tokia genomo architektūra — minimalus, bet metabolitiškai aktyvus plastomas — leidžia suprasti, kurie plastidų funkcijų elementai yra būtini net ir visiškai parazitiniam gyvenimo būdui.
„Balanophora yra praradusi daug to, kas tradiciškai ją apibrėžia kaip augalą, tačiau išsaugojo pakankamai, kad galėtų funkcionuoti kaip parazitas,“ sako botanike Petra Svetlikova iš Okinavos mokslo ir technologijų instituto Japonijoje, viena iš tyrimo autorių. Jos pastaba pabrėžia, kaip drastiškas genominis redukavimas gali būti suderinamas su išlikimu, kai organizmas keičia ekologinę strategiją — pvz., pereina nuo autonominės fotosintezės prie priklausomybės nuo šeimininko.
Balanophora tobiracola, dar viena tyrime nagrinėta rūšis.
Kaip Balanophora išgyvena be fotosintezės
Vietoj to, kad gamintų cukrus su chlorofilu, Balanophora prijungiasi prie savo šeimininkų — medžių. Augalas formuoja intymius fiziologinius ryšius su medžių šaknimis ir tiesiogiai išsiurbiant vandens, angliavandenių, mineralų ir kitų reikalingų junginių. Tai grynai parazitinė sąveika: Balanophora pasisavina šeimininko išteklius neduodama nieko mainais. Tokia mitybos strategija skiriasi nuo mutualistinės mikorizės, kurioje grybas ir augalas keičiasi maistinėmis medžiagomis (pvz., grybas suteikia mineralus mainais į augalo pagamintą anglies dioksidą arba angliavandenius).
Funkciniu ir morfologiniu požiūriu Balanophora kartais primena grybą — kompaktiška forma, dažnai cilindrinės ar stiebo panašios struktūros be įprastų žalių lapų, ir šaknų feedavimo įpročiai priverčia juos priminti makrofizinį grybo kūną. Tai — konvergentinės evoliucijos pavyzdys: nesusiję organizmai vystosi panašiais būdais susidūrę su panašiais ekologiniais iššūkiais, pavyzdžiui, maisto gavimo iš to paties šaltinio. Dėl šios konvergencijos Balanophora iš pirmo žvilgsnio gali būti supainiota su nepotencialiu grybų sporokarnu ar panašaus tipo organizmu.
Iš ekologinės perspektyvos šis parazitas palaiko labai specifiškus sąryšius su šeimininkais — tiek rūšinės įvairovės, tiek sudėtingumo atžvilgiu. Kai kurios Balanophora rūšys yra šeimininko specifinės arba palaiko ryšius tik su tam tikrais medžių taksonais, o kitos gali būti labiau generalistinės. Šiuos niuansus identifikuoti padeda augalų ekologija, genominė analizė ir lauko stebėjimai, leidžiantys susieti plastomos redukcijos laipsnį su ekologinėmis nišomis, šeimininko prieinamumu ir dispersijos mechanizmais.
Plastomo praradimas ir evoliucijos laiko nustatymas
Genetinė analizė rodo, kad plastomos redukcija įvyko bendrame tėviniame protėvyje prieš tai, kai tirtos Balanophora rūšys pradėjo diversifikuotis. Tai reiškia, kad dramatiškas poslinkis nuo fotosintezės nėra nesenas, rūšimis atskirai įvykęs įvykis, o bendras evoliucinis etapas, kuris paruošė terpę vėlesnėms adaptacijoms ir ekologinei specializacijai. Filogenetiniai medžiai, sudaryti remiantis tiek branduolio, tiek plastidų genetine informacija, rodo, kad plastomos sumažėjimas buvo senas įvykis, lemiantis vėlesnę evoliucinę trajektoriją visai linijai.
Be to, salų populiacijose Balanophora stebimos įdomios demografinės ir reprodukcinės tendencijos: kai kurios salų rūšys evoliucionavo į aseksualinį dauginimąsi, kuri dabar atrodo vienintelis jų reprodukcinis būdas. Aseksualus dauginimasis gali būti evoliucinis pranašumas izoliuotose aplinkose, kur partneriai ar tinkami šeimininkai yra reti — tai padidina parazito gebėjimą įsitvirtinti naujose vietose iš vieno kolonizatoriaus. Tokie reprodukciniai pokyčiai taip pat turi pasekmių genų įvairovei, adaptacinei potencialei ir ilgalaikei populiacijų išlikimo dinamikai.
Kodėl tai svarbu evoliucinei biologijai
Plastomos redukcija Balanophora suteikia konkretų modelį, kaip sausumos augalai gali visiškai netekti fotosintezės arba ją žymiai sumažinti. Rezultatai, publikuoti žurnale New Phytologist, rodo, kad plastidų genomai gali būti sukomponuoti iki minimalaus, bet metabolitiškai aktyvaus branduolio, o ne visiškai išmesti. Tai padeda mokslininkams suprasti, kurios plastidų funkcijos yra neatsiejamos net ir tuomet, kai augalas atsisako fotosintezės — pavyzdžiui, genai, reikalingi baltymų sintazei plastiduose, kai kuriais atvejais tRNR ir ribosomų komponentai.
Tyrimas taip pat meta platesnį iššūkį klasifikacinėms riboms tarp to, ką mes tradiciškai vadiname „augalu“. Nors Balanophora gamina žiedus ir sėklas ir aiškiai priklauso angiospermų grupei, jos genominė ir ekologinė padėtis užima tarpinį lauką, kurį sudėtinga priskirti paprastoms kategorijoms. Tokių ekstremaus pavyzdžių studijavimas pagilina mūsų supratimą apie evoliucinį lankstumą ir apie tai, kokiais būdais gyvybė sprendžia energijos gavimo problemą: nuo autonominės fotosintezės iki griežto parazitizmo ar net simbiotinių santykių.
Be grynai teorinių implikacijų, šios žinios yra svarbios ir praktiniam evoliucijos, ekologijos bei konservavimo mokslui. Supratimas, kaip parazitiniai augalai praranda ir reorganizuoja savo genomus, leidžia geriau suvokti organelių redukcijos mechanizmus, šeimininkų–parazitų koevoliuciją, taip pat salų ekologijos ypatumus ir kolonizacijos ribotumus.
Eksperto įžvalgos
Dr. Elena Marquez, evoliucinė botanė, kuri nebuvo tiesiogiai įtraukta į šį tyrimą, komentuoja: "Balanophora yra akivaizdus evoliucinio minimalizmo pavyzdys. Kai organizmai atsisako pagrindinio metabolinio kelio, pavyzdžiui fotosintezės, jie atskleidžia, kurie genai ir struktūros yra iš tikrųjų būtini. Šie parazitai parodo, kad plastidai nėra vien tik fotosintezės fabrikai — jie išlaiko pagrindines metabolines funkcijas, kurių net parazitinė gyvensena negali atsisakyti."
Balanophoraceae šeima dabar tampa vertinga sistema rekonstruktuoti genominius žingsnius, lydinčius fotosintezės netekimą. Ekologams ir evoliuciniams genetikams šie augalai suteikia gyvą laboratoriją hipotezėms apie organelių redukciją, šeimininko–parazito koevoliuciją ir salų kolonizacijos dinamiką tikrinti. Tyrimai šioje srityje gali apimti papildomas metagenomines analizės, šeimininko ir parazito sąveikų lauko eksperimentus, funkcinius metabolinius tyrimus bei palyginamąją genomiką platesnėje parazitinių ir pusiau parazitinių augalų grupėje.
Galiausiai, praktiniai aspektai, susiję su išlikimu ir apsauga, taip pat yra svarbūs: daugelis parazitinių augalų, ypač endeminės salų rūšys, gali būti jautrios aplinkos pokyčiams ir šeimininko populiacijų mažėjimui. Supratę jų biologiją, reprodukcinius strateginius ir genominį pagrindą, galime geriau įvertinti konservavimo prioritetus bei šeimininkų–parazitų tinklų ekologinį palaikymą.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą