2019-07-12 00:03:01
古代防御战略继续保护植物免受病原体侵害

剑桥大学的科学家发现了两个远距离相关植物如何抵御病原体的惊人相似之处,尽管它们在4亿多年前从它们的共同祖先分裂出来。

来自剑桥大学塞恩斯伯里实验室的研究人员比较了两种远缘植物 - 一种常见的地钱(Marchantia polymorpha)和一种开花植物,野生烟草(Nicotiana benthamiana) - 如何防御侵袭性病原体(Phytophthora palmivora)。这是第一次进行这样的比较。通过研究这些与大约4亿年前共同祖先分离的远缘植物如何对病原体感染做出反应,该研究小组发现了一系列微生物反应基因家族,可以追溯到早期的陆地植物进化。

我们目前对植物如何成功抵御致病病原体的理解主要来自研究经济上重要的作物植物和少数密切相关的开花植物模型系统。非常相关的植物,例如被认为类似于第一批陆地植物的非开花的苔类植物,经常被忽视。因此,关于这些植物如何抵御病原体或植物防御策略如何进化的知之甚少。

今天发表在“当代生物学”杂志上,对这些进化上保守的基因的鉴定正在揭示对植物扩展到陆地可能至关重要的策略。

“我们已经证明,现代开花植物典型的病原体感染的分子反应对于非常相关的陆地植物来说是常见的,因此可能比我们之前想象的更古老,”Sebastian Schornack博士说道,他领导的研究小组负责研究。 “尽管在广泛的进化时间尺度上环境压力波动,但这些保守基因仍保留了赋予植物病原体保护能力,包括在重要的农作物中。”

生物信息学专家Anna Gogleva博士在地钱和野生烟草中鉴定了一对一相应基因(单拷贝直向同源物)的子集,并分析了它们在感染期间的活性水平。在两种植物中都激活了许多不同的基因,但是响应于感染,参与苯丙烷(类黄酮)生物合成的一组代谢基因被高度激活。

这些基因家族通常与开花植物中的应激反应相关,提供针对由咀嚼昆虫,病原体和营养物或光应激引起的生物或非生物胁迫的增强保护。然而,这是这些基因首次与地钱的病原体防御策略功能相关。

“病原体游动孢子在苔藓表面发芽并最终在肝苔组织中定殖,但在一些地区,我们看到在很少检测到病原体的肝苔组织中积聚了紫色/红色色素,”主要作者Philip Carella博士说。这项研究。

“我们生产了具有马赛克颜料图案的苔草植物 - 类似于军用迷彩服,这使我们能够比较同一植物的色素和非色素区域的病原体抗性,并发现色素对病原体感染具有一定的抵抗力。”

我们今天在现代植物中看到的各种特性和物种的多样性说明了数百万年的进化,使植物能够在全球动态和对比的环境中生存。

“有机体之间的冲突可能是一种非常强大的选择性压力,可以指导它们的进化轨迹,”Schornack博士说。 “参与对抗特定病原体的基因可以在植物和动物中快速进化。但我们现在也发现这些广泛保守的基因对非常相关的植物中的病原体感染有反应,这表明陆地植物保留了一种可能的古老病原体。威慑战略太有用而无法输掉。

“化石证据表明植物在整个进化历史中与微生物生命形式密切相互作用。我们的研究揭示了早期分化的陆地植物和更多进化上年轻的开花植物共有的一组共同的病原体反应基因。可能对植物在陆地上的扩展至关重要。进一步的比较研究聚焦于其他远缘陆地植物及其水生藻类前辈应该更多地了解这些重要基因家族的进化和作用。“

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