Эволюция наземных растений сопровождалась активным горизонтальным переносом генов

Горизонтальный перенос генов рассматривают как важнейший драйвер эволюции прокариот, однако он сыграл важную роль и в эволюции эукариот. Наземные растения эволюционировали из харофитовых водорослей, и в процессе эволюции их структура и физиология значительно усложнились. Авторы новой работы, опубликованной в Molecular Plant, провели систематический анализ актов горизонтального переноса генов у харофитов (отдел Charophyta) и наземных растений.

Для выявления генов, которые растения в ходе эволюции приобрели через горизонтальный перенос от других организмов, ученые выбрали четырех представителей харофитов и восемь представителей основных групп наземных растений: мхов, папоротников, плаунов, голосеменных, а также двудольных и однодольных покрытосеменных. Аннотированные последовательности всех 12 видов, содержащие белок-кодирующие гены, детально проверили на наличие генов, происходящих от прокариот, вирусов, грибов и животных. Чтобы оценить масштаб горизонтального переноса генов у семенных растений, ученые дополнительно включили в анализ два вида голосеменных, 13 злаков и четырех представителей семейства пасленовые (Solanaceae).

Оказалось, что в общей сложности стрептофиты (клада, включающая харофитов и наземные растения) получили 593 семейства генов благодаря горизонтальному переносу. Гены, приобретенные таким же образом их общими предками, в это число не входят. Горизонтальный перенос генов активно происходит у харофитов, а также у всех основных групп наземных растений. Самые недавние события горизонтального переноса генов зафиксированы у харофитов и мхов. Так, нитчатая харофитовая водоросль Klebsormidium nitens за счет горизонтального переноса приобрела 95 семейств генов. По сравнению с харофитами и мхами, у папоротников и плаунов горизонтальный перенос генов был менее активен. Примечательно, однако, что ген DIT1, продукт которого необходим для образования стенки спор у плаунов, был позаимствован у грибов. Наименьшее количество генов, приобретенных за счет горизонтального переноса, зафиксировано у семенных растений.

Авторы работы также выявили основные акты горизонтального переноса генов, которые затронули всю группу стрептофитов. Так, две субъединицы ABC-транспортера у стрептофитов имеют бактериальное происхождение. Так как у многих бактерий гены, кодирующие эти субъединицы, расположены в геноме друг за другом, вероятно, что стрептофиты приобрели эти два гена одновременно. Бактериальное происхождение, по всей видимости, имеет и гуаниндезаминаза голосеменных.

Горизонтальный перенос генов происходил неравномерно. Ученые выделили два больших события, соответствующих периоду ранней эволюции стрептофитов и отделению наземных растений. Первое событие принесло стрептофитам 177 новых семейств генов, второе — 107.

Большинство чужеродных генов стрептофитов были позаимствованы у бактерий, хотя есть и гены, полученные от грибов и даже от животных. Авторы исследования подчеркивают, что множественные случаи горизонтального переноса генов могли сыграть роль в формировании колоссального разнообразия наземных растений.