Песочные часы – теперь у растений

Уже после того, как была написана и отослана в редакцию заметка про молекулярные проявления законов Бэра [1], вышла статья про ту же модель молекулярных песочных часов — но уже в высших растениях [2]. Проблема была в том, что у растений не известна морфологическая филотипическая стадия, да и эмбриональное развитие идет совсем не так, как у животных: после оплодотворения и последующего развития образуется плод,точнее семя, которое потом прорастает, и только на этом этапе образуются зрелые органы.

Как и в работах про животных, авторы датировали гены модельного организма — крестоцветной травки резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Одно определение возраста совпадало с ранее использованным – это то, в насколько далекой группе родственных организмов впервые появляется этот ген. Второе определение, не столько возраста,сколько консервативности гена, основывалось на скорости его эволюции — количестве различий в кодируемом этом геном белке по сравнению с теми же белками из других растений семейства крестоцветных (с нормировкой на количество нейтральных изменений гена, не влияющих на белок). Авторы заранее показали, что две эти величины слабо связаны другс другом и потому с разных сторон характеризуют эволюцию и, стало быть, функциональное значение генов.

Оказалось, что, как и в случае с разными группами животных,у растений есть стадия, когда средний возраст работающих генов максимален, причем эта стадия совпадает при обоих способах измерения — и по возрасту гена, и по его консервативности. Эта стадия находится на границе двух процессов: морфогенеза (от оплодотворения до закладки основной оси корень—росток) и созревания (закладка запасающих белков, высыхание семени, прорастание и ранний рост). В отличие от статей о животных, здесь авторы посмотрели, что именно происходит на найденной границе. Оказалось, что старые и консервативные гены слабо меняют интенсивность работы, а вот молодые и быстро эволюционирующие интенсивно работают как раз на ранних и поздних стадиях. Как и в случае с животными, это можно объяснить довольно естественным образом. Раннее созревание семени сильно зависит от материнского растения – стало быть, будет в значительной степени определяться работой молодых (таксонспецифичных) генов. А поздние стадии определяют видовую идентичность дочернего растения — и на этих стадиях тоже будут работать молодые гены, но уже другие. Переход же от пре-эмбриогенеза к постэмбриогенезу, по всей види-мости,жестко регулируется, причем в этом задействованы древние механизмы: стало быть, молодые и слабо консервативные гены преимущественно молчат.

Как твердо установлено методами молекулярной эволюции (и в противоречии с тем, чему многих из нас учили в школе), многокле-точность, в том числе со сложным развитием и образованием различающихся тканей, возникала в истории живого неоднократно. В частности, она возникла независимо у зеленых растений и у животных. То, что в обоих случаях развитие описывается молекулярной моделью песочных часов, возможно, указывает на то, что эта модель окажется универсальной.

1. М. Гельфанд. Песочные часы
в биологии развития.Троицкий вариант-Наука № 18 (112), 11.9.2012.
2. M. Quint,…,I. Grosse. Atranscriptomic hourglass in plant embryogenesis. Nature, published online 5.9.2012.