Геномы антоцеротовых могут помочь улучшить сельскохозяйственные культуры

Около 500 миллионов лет назад, когда континенты, вероятно, были единым массивом суши, а жизнь существовала в основном под водой, антоцеротовые были одними из первых растений, колонизировавших сушу. Однако их генетика и уникальная биология долгое время оставались малоизученными.

Исследователи под руководством Фэй-Вэя Ли из Института Бойса Томпсона и Петера Сёвеньи из Цюрихского университета секвенировали геномы трёх видов антоцеротовых, пролив свет на ранние этапы эволюции наземных растений. Они также обнаружили гены, которые, вероятно, лежат в основе особых способов поглощения углерода и азота у этих растений.

Эти открытия могут привести к созданию сельскохозяйственных культур с более высокой урожайностью и меньшей потребностью в синтетических удобрениях.

«Жизнь построена на углероде, азоте и фосфоре — это ключ к повышению урожайности. Если мы раскроем секреты антоцеротовых, то сможем перенести эти признаки на важные сельскохозяйственные растения», — сказал Ли, один из авторов статьи.

Результаты были опубликованы в журнале Nature Plants 13 марта.

Работа над проектом началась в 2011 году. «Нам потребовалось три года, чтобы выяснить, как выращивать антоцеротовые и пройти их полный жизненный цикл в лаборатории, и ещё три года, чтобы правильно собрать и аннотировать их геномы», — отметил Сёвеньи.

Одна из целей — найти гены, участвующие в уникальном для наземных растений механизме концентрации CO₂ внутри хлоропластов, который повышает эффективность фотосинтеза. Этот признак есть у некоторых водорослей. Сравнив геномы, команда обнаружила общий для антоцеротовых и водорослей ген LCIB, которого нет у других наземных растений.

«Если бы этот механизм можно было внедрить в культурные растения, они могли бы давать больший урожай при том же количестве удобрений», — пояснил Ли.

Также было идентифицировано 40 генов, которые могут способствовать уникальному для антоцеротовых симбиозу с цианобактериями — их источнику азота. «Очень немногие растения на это способны», — отметил Ли.

Создание аналогичного симбиоза у культурных растений позволило бы сократить использование азотных удобрений, что уменьшило бы их попадание в водоёмы и риск цветения водорослей.

Дальнейшее изучение этих генов планируется в рамках гранта EDGE от Национального научного фонда США, направленного на разработку инструментов для определения функций генов антоцеротовых.

Исследование также прояснило эволюцию ранних наземных растений. Антоцеротовые, печёночники и мхи были среди первых колонизаторов суши, но их родственные связи оставались неясными.

«Наши данные дают убедительные доказательства, что антоцеротовые, печёночники и мхи более тесно связаны друг с другом, чем с сосудистыми растениями. При этом печёночники и мхи ближе друг к другу, чем к антоцеротовым», — заключил Ли.