Две группы трав, которые когда-то имели общую родословную, на самом деле расходились. Клад PACMAD был предрасположен к разработке более эффективных средств «С4» фотосинтеза, чем травы в кластере BEP. В новом исследовании в Трудах Национальной академии наук команда, возглавляемая Брауном, выявляет анатомические различия между кладами, которые привели к тенденции PACMAD к C4.
Даже в эволюционном масштабе времени в десятки миллионов лет существует такая вещь, как правильная форма в нужное время. Анатомическое различие в способности захватить момент, согласно исследованию, проведенному биологами Университета Брауна, объясняет, почему больше видов в одной широкой группе или кладе травы развивали более эффективные средства фотосинтеза, чем виды в другой кладе.
Их результаты появляются на этой неделе в Трудах Национальной академии наук.
Биологи ссылаются на травы, которые развили это лучшее средство для приготовления пищи в теплых, солнечных и сухих условиях с обозначением «C4». Травы без этой черты обозначены как «C3».
То, что ученые уже знали, состоит в том, что, хотя все травы в кладах BEP и PACMAD имеют основную метаболическую инфраструктуру, чтобы стать травами C4, виды, которые на самом деле сделали это, полностью находятся в клане PACMAD. Группа ученых из четырех стран задалась вопросом, почему существует такое неравенство.
Чтобы узнать, Браун, постдокторский исследователь и ведущий автор Паскаль-Антуан Кристин провел два года, внимательно изучая клеточную анатомию 157 живых видов BEP и травы PACMAD. Используя генетические данные, команда также организовала этот вид в свое эволюционное дерево, которое затем использовалось для определения анатомических признаков древних трав, которые больше не существуют сегодня, общей аналитической методики, известной как реконструкция состояния предков. Это позволило им рассмотреть, как анатомические различия, вероятно, эволюционировали среди видов с течением времени.
Парадоксальным образом, чтобы понять эволюцию C4, исследователи сосредоточились на анатомии травы C3 в каждой кладе.
В общем, они обнаружили, что в листьях многих трав PACMAD C3 вены были ближе друг к другу, и что сами вены были окружены более крупными клетками (клетками оболочки пучка), чем в травах BEP C3. В конечном итоге травы PACMAD имели более высокое отношение клеток оболочки пучка к клеткам мезофилла (клетки, которые заполняют область между венами).
На установках С4 такое анатомическое устройство облегчает более эффективную передачу и обработку СО2 в ячейках оболочки пучка, когда СО2 находится в относительно коротком количестве. Когда температура становится горячей или растения становятся стрессовыми, они перестают потреблять столько же CO2, что создает такую нехватку в листе.
Таким образом, PACMADs как группа разработали анатомическую предрасположенность к фотосинтезу C4, что травы BEP этого не сделали, сказала старший автор Эрика Эдвардс, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Брауна.
«Мы обнаружили, что эти PACMAD C3 последовательно отличаются анатомически, чем CEP CEP», – сказала она. «Мы считаем, что это эволюционный шаг к C4-подобной физиологии».
Когда новые листья перевернулись
Это было не всегда так. Около 60 или около того миллионов лет назад травы BEP и PACMAD были более похожими и обе возглавлялись в одном направлении. Расстояние между венами листьев в обеих кладах сближало друг друга. Но потом они начали расходиться в ключевом ключе. Ячейки оболочки пучка, окружающие вены в травах BEP, начали сокращаться, в то время как травы PACMAD оставались более крупными.
Долгое время климат особо не наказывал и не поощрял ни одно из этих направлений. Но затем климат изменился, и возможность ударила, сказал Эдвардс. Рядом с пресловутой дверью был только PACMAD.
«Когда атмосферный CO2 уменьшился через десятки миллионов лет после раскола кластеров BEP и PACMAD, комбинация более коротких [расстояний между венами] и больших клеток [оболочки] существовала только у членов клана PACMAD, ограничивая эволюцию C4 этой линии , – пишет в своей работе Кристин и соавторы.
Исследователи также обнаружили, что эволюция среди C4-трав была анатомически нюансирована. Некоторые травы C4 развивались из-за благоприятных изменений в внешних оболочках, в то время как другие видели улучшение внутренних клеток оболочки.
В конечном итоге Эдвардс сказал, что исследования, подобные этому, показывают, что биологи растений добились значительного прогресса в понимании общей картины того, когда и где развивались важные признаки растений. Это может привести к дальнейшему развитию как фундаментальной науки, так и, возможно, сельского хозяйства.
«Теперь, когда у нас есть все более четкое представление о птице, мы можем начать становиться более прогностической наукой», – сказала она. «Теперь у нас есть сырьевые товары, которые задают интересные вопросы о том, почему, например, одна черта эволюционирует 10 раз в этом регионе дерева, но никогда здесь. Что касается генной инженерии, мы сможем предоставить некоторую полезную информацию людям, которые хотят улучшить виды, такие как важные культуры ».