Er zijn twee cruciale genen geïdentificeerd voor planten die 470 miljoen jaar geleden de aarde koloniseerden

Onderzoekers hebben nieuw licht geworpen op hoe het plantenleven op aarde is ontstaan

onderzoekers van Universiteit van Kopenhagen Het heeft een nieuw licht geworpen op hoe het plantenleven op het oppervlak van onze planeet is ontstaan. Ze toonden specifiek aan dat twee genen nodig zijn voor terrestrische planten om zichzelf te beschermen tegen aanvallen door schimmels – een verdedigingsmechanisme dat 470 miljoen jaar oud is. Het is waarschijnlijk dat deze verdedigingswerken de weg vrijmaakten voor alle planten op het land.

Mads Eggert Nielsen, een bioloog aan de Universiteit van Kopenhagen.

Planten evolueerden bijna een half miljard jaar geleden van wateralgen naar het vermogen om op aarde te overleven en legden de basis voor het leven op aarde. Een van de obstakels die deze dramatische transformatie zo moeilijk maakten, waren de schimmels:

Naar schatting 100 miljoen jaar geleden kropen schimmels over het aardoppervlak op zoek naar voedsel, hoogstwaarschijnlijk gevonden in dode algen die uit de zee zijn aangespoeld. Dus als je je als nieuwe plant op de grond gaat vestigen en het eerste wat je tegenkomt is een schimmel die je opeet, dan heb je een soort afweermechanisme nodig”, zegt Mads Eggert Nielsen, bioloog in de Afdeling Plant- en Milieuwetenschappen aan de Universiteit van Kopenhagen.

Volgens Mads Eggert Nielsen en onderzoekscollega’s van het Department of Plant and Environmental Sciences en de University of Paris-Sclay kan de kern van dit afweermechanisme worden teruggebracht tot twee genen, PEN1 en SYP122. Samen helpen ze een soort component in planten te vormen die de invasie van schimmels en schimmelachtige organismen voorkomt.

“We ontdekten dat als we deze twee genen vernietigen in ons model van Arabidopsis, we de deur openen voor pathogene schimmels om binnen te dringen. We ontdekten dat ze essentieel zijn voor de vorming van deze celwandachtige plug die beschermt tegen de schimmels. Interessant is dat het lijkt een universeel verdedigingsmechanisme te zijn dat in alle terrestrische planten wordt aangetroffen”, zegt Mads Eggert Nielsen, senior auteur van de studie, die werd gepubliceerd in het tijdschrift Science. eLife.

Ik ben opgegroeid in een 470 miljoen jaar oude fabriek

Het onderzoeksteam testte dezelfde functie in het levermos, een directe afstammeling van een van de eerste landplanten op aarde. Door de twee bijpassende genen in het levermos te nemen en in cressus te steken, onderzochten de onderzoekers of ze hetzelfde effect konden vaststellen. Het antwoord was ja.

Experimenten met Arabidopsis Model Credit: Mads Eggert Nielsen

“Hoewel de twee plantenfamilies waartoe Arabidopsis en levermos behoorden 450 miljoen jaar geleden in uiteenlopende richtingen evolueerden, bleven ze genetische functies delen. We geloven dat deze familie van genen is ontstaan ​​met het unieke doel om dit afweermechanisme te beheren, en dus was het Een van de fundamenten van planten om zich op de grond te vestigen”, zegt Mads Eggert Nielsen.

Het naast elkaar bestaan ​​van planten en schimmels

Hoewel schimmels een obstakel waren voor planten in hun overgang van zeealgen naar terrestrische planten, waren ze ook een vereiste. Mads Eggert Nielsen legt uit dat zodra planten de aanvallen van de schimmels die ze op aarde wilden eten konden overleven, het volgende probleem waarmee ze werden geconfronteerd, was de voedingsstoffen te vinden:

Planten in aquatische milieus hebben gemakkelijk toegang tot opgeloste voedingsstoffen zoals fosfor en stikstof. Maar 500 miljoen jaar geleden bestond de grond zoals we die nu kennen niet – alleen rotsen. Aan de rotsen gebonden voedingsstoffen zijn voor planten uiterst moeilijk te verkrijgen. Maar niet voor schimmels. Aan de andere kant kunnen schimmels geen koolhydraten produceren – daarom consumeren ze planten. Hier zou de symbiotische relatie tussen planten en schimmels zijn ontstaan, die vervolgens de basis werd voor de explosie van het terrestrische plantenleven in deze periode.”

De verdedigingsstructuren die zich in de plant vormen, doden de plant of de schimmel niet, ze voorkomen eenvoudigweg dat de schimmel binnendringt.

“Omdat paddenstoelen slechts gedeeltelijk de plant kunnen binnendringen, denken we dat er een omslagpunt ontstaat waar zowel de plant als de schimmel iets te winnen hebben. Daarom was het nuttig om de relatie te behouden zoals ze is. De theorie dat planten schimmels temmen om te koloniseren het land Niet van ons, maar wij zorgen voor voer dat dit idee ondersteunt”, zegt Mads Eggert Nielsen.

Kan worden toegepast in de landbouw

De nieuwe bevindingen voegen een belangrijk stuk toe aan de puzzel van de evolutionaire geschiedenis van planten. Wat nog belangrijker is, ze kunnen worden gebruikt om gewassen beter bestand te maken tegen schimmelaanvallen, wat een groot probleem is voor boeren.

“Als alle planten zich op dezelfde manier verdedigen, zou dit moeten betekenen dat micro-organismen die ziekten kunnen veroorzaken – zoals echte meeldauw, gele roest en aardappelrot – een manier hebben gevonden om de afweer van hun respectieve waardplanten te infiltreren, te stoppen of te ontwijken. Wij willen weten. Hoe doen ze dat. We zullen dan proberen de verdedigingscomponenten van de resistente planten over te brengen naar die planten die ziekte krijgen, en zo resistentie bereiken”, zegt Mads Eggert Nielsen.

Mads Eggert Nielsen neemt deel aan een onderzoeksproject bij de afdeling Botanische en Milieuwetenschappen onder leiding van Hans Thordal-Christensen en ondersteund door de Novo Nordisk Foundation, dat zich richt op het resistenter maken van gewassen door het identificeren van afweermechanismen in planten die ziekteverwekkende micro-organismen proberen aan te pakken. dichtbij.

Aanvullende feiten

Onderzoekers hebben lang aangenomen dat de genen PEN1 en SYP122 een speciale functie vervulden met betrekking tot de overgang van planten van hun aquatische fase als algen naar terrestrische planten, maar er is geen concreet bewijs dat ze inderdaad een vereiste zijn voor planten. defensieve capaciteiten.

Eerdere studies hebben aangetoond dat planten door het vernietigen van het PEN1-gen hun vermogen om zich te verdedigen tegen echte meeldauw verliezen. Wanneer echter het nauw verwante gen, SYP122, wordt vernietigd, gebeurt er niets. De nieuwe onderzoeksresultaten laten zien dat de twee genen samen een belangrijke sleutel vormen in het afweermechanisme van de plant.

Referentie: “Plant SYP12-structuren bemiddelen een evolutionair geconserveerde algemene immuniteit tegen nematodenpathogenen” door Hector M Rubiato, Mingqi Liu, Richard J O’Connell en Mads E. Nielsen, 4 februari 2022, hier beschikbaar. eLeven.
DOI: 10.7554 / eLife.73487