16 8 月, 2022

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已经为 4.7 亿年前殖民地球的植物确定了两个关键基因

科学家们认为,PEN1 和 SYP122 这两个基因可能为各种陆生植物的生命铺平了道路。

研究人员对植物生命如何起源于地球有了新的认识

研究人员来自 哥本哈根大学 它为植物生命如何起源于地球表面提供了新的线索。 具体来说,他们表明,陆地植物需要两个基因来保护自己免受真菌的攻击——这种防御机制可以追溯到 4.7 亿年前。 这些防御很可能为所有陆地植物的生命铺平了道路。

麦德斯·艾格特·尼尔森

哥本哈根大学的生物学家 Mads Eggert Nielsen。

近 50 亿年前,植物从水生藻类进化为能够在地球上生存的能力,为地球上的生命奠定了基础。 使这种戏剧性转变如此困难的障碍之一是真菌:

据估计,在一亿年前,真菌爬过地球表面寻找食物,很可能是在从海中冲上来的死藻中发现的。 因此,如果你作为一种新植物要在地球上立足,而你遇到的第一件事是一种会吃掉你的真菌,那么你需要某种防御机制,”该部门的生物学家 Mads Eggert Nielsen 说哥本哈根大学植物与环境科学系。

根据 Mads Eggert Nielsen 及其来自植物与环境科学系和巴黎斯克莱大学的研究同事的说法,这种防御机制的核心可以缩小到两个基因,PEN1 和 SYP122。 它们共同帮助在植物中形成一种成分,防止真菌和类真菌生物的入侵。

“我们发现,如果我们在拟南芥模型中破坏这两个基因,就会为病原真菌的渗透打开大门。我们发现它们对于形成这种保护免受真菌侵害的细胞壁状塞子至关重要。有趣的是,它似乎是在所有陆生植物中发现的一种防御机制普遍性,”该研究的高级作者 Mads Eggert Nielsen 说,该研究发表在《科学》杂志上。 埃莱夫.

我在一家拥有 4.7 亿年历史的工厂中长大

研究小组在地钱中测试了相同的功能,地钱是地球上最早的陆地植物之一的直系后代。 通过将地钱中的两个匹配基因插入水芹中,研究人员检查了它们是否可以确定相同的效果。 答案是肯定的。

植物模型 Thale Cress

拟南芥模型实验:Mads Eggert Nielsen

“虽然拟南芥和地钱在 4.5 亿年前向不同方向进化的两个植物家族,但它们继续共享遗传功能。我们认为,这个基因家族的出现具有管理这种防御机制的独特目的,因此它是一个谁建立了工厂以在地面上建立自己,”Mads Eggert Nielsen 说。

植物与真菌共存

虽然真菌是植物从海藻向陆地植物过渡的障碍,但它们也是先决条件。 Mads Eggert Nielsen 解释说,一旦植物能够在地球上试图吃掉它们的真菌的攻击中幸存下来,他们面临的下一个问题就是寻找营养:

水生环境中的植物很容易获得溶解的养分,例如磷和氮。 但是 5 亿年前,我们今天所知道的土壤并不存在——只有岩石。 植物很难获得与岩石结合的养分。 但不适用于真菌。 另一方面,真菌不能产生碳水化合物——这就是它们消耗植物的原因。 这就是植物和真菌之间产生共生关系的地方,后来成为这一时期陆地植物生命爆发的基础。”

植物中形成的防御结构不会杀死植物或真菌,它们只是阻止真菌入侵。

“由于蘑菇只能部分进入植物,我们认为出现了一个临界点,植物和真菌都有收获。因此,保持这种关系是有帮助的。植物驯服真菌进行殖民的理论这片土地不是我们的,但我们提供支持这一想法的素材,”Mads Eggert Nielsen 说。

可应用于农业

新发现为植物进化史的谜题增添了重要的一块。 更重要的是,它们可以用来使农作物更能抵抗真菌的侵袭,这对农民来说是个大问题。

“如果所有植物都以同样的方式保护自己,这应该意味着能够引起疾病的微生物——例如白粉病、黄锈病和马铃薯腐烂——已经找到了一种方法来渗透、阻止或逃避它们各自的寄主植物的防御。我们想知道。他们是如何做到的。然后,我们将尝试将防御成分从抗性植物转移到那些生病的植物,从而实现抗性,“Mads Eggert Nielsen 说。

Mads Eggert Nielsen 正在参与由 Hans Thordal-Christensen 领导并得到诺和诺德基金会支持的植物与环境科学系的一个研究项目,该项目的重点是通过识别植物中致病微生物正在尝试的防御机制来提高作物的抗性讲话。 关。

其他事实

长期以来,研究人员一直认为 PEN1 和 SYP122 基因在植物从藻类到陆生植物的水生阶段转变方面发挥了特殊功能,但没有具体证据证明它们是否确实是植物的先决条件。 防御能力。

先前的研究表明,通过破坏 PEN1 基因,植物会失去抵御白粉病的能力。 然而,当密切相关的基因 SYP122 被破坏时,什么也没有发生。 新的研究结果表明,这两个基因共同构成了植物防御机制的重要关键。

参考:“植物 SYP12 结构介导对线虫病原体的进化上保守的一般免疫”,作者:Hector M Rubiato、Mingqi Liu、Richard J O’Connell 和 Mads E. Nielsen,2022 年 2 月 4 日,可在此处获取。 埃莱夫。
DOI:10.7554 / eLife.73487

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