Формирование цветов у паразитического растения повилики запускается белками, позаимствованными у хозяина. Это позволяет синхронизировать цветение обоих растений. К такому выводу пришла команда ботаников, проанализировав геномы двух видов повилики. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала .
Цветение многих растений регулируется факторами окружающей среды, в первую очередь, длиной светового дня. Под воздействием солнечного света в листьях синтезируются белки Flowering Locus T (FT), которые транспортируются к верхушке побега и запускают развитие цветка. Однако некоторые растения-паразиты лишены листьев — и, несмотря на это, им удается выбрать правильное время для цветения. Более того, некоторые повилики () даже синхронизируют его с появлением цветов у растения-хозяина.
Команда ученых во главе с Цзяньцянем У (Jianqiang Wu) из Института ботаники в Куньмине решила выяснить, как повилики определяют, что настало время цвести. Из предыдущих исследований им было известно, что эти паразиты воруют у хозяев не только воду и питательные вещества, но и регуляторные молекулы, например, РНК и белки. Поэтому специалисты предположили, что повилика может запускать развитие собственных цветов с помощью FT, которые выработало хозяйское растение.
Чтобы проверить данную гипотезу, авторы проанализировали геномы двух видов повилик, и . Ранее для первого вида уже было продемонстрировано отсутствие 25 важных генов, гомологи которые у других растений регулируют цветение, — например, , , , , , и .
Новый анализ показал, что ген у повилик также не функционирует. У обоих видов в нем была найдена крупная транспозоноподобная вставка, которая отсутствует у фотосинтезирующих растений, включая ипомею () — довольно близкого родственника повилик. Попытки выявить экспрессию гена на разных этапах развития (в том числе во время цветения) окончились безрезультатно.
Когда -ген повилики встроили в геном резуховидки (), он также не производил белок, даже при подавленной экспрессии собственного гена в растении-реципиенте. Добиться его синтеза удалось лишь после внедрения соответствующей матричной РНК. Однако даже это не повлияло на время цветения резуховидки, поэтому авторы сделали вывод, что FT-белок повилики не функционален. Сравнение последовательностей белков FT показало, что у обоих видов повилик в них мутировали две очень консервативные аминокислоты. Вероятно, это и стало причиной поломки.
На следующем этапе авторы заразили повиликой три вида растений, чье цветение синхронизировано с фотопериодом: дикий томат (), огурец () и табак. Представители этих видов зацвели на 87, 75 и 35 день, а их «нахлебники» — на 92, 79 и 40 дни соответственно. Аналогичные результаты были получены с несколькими сортами сои. Когда повилику подселили на сою с избыточной экспрессией белка FT, паразит зацвел быстрее. Напротив, на табаке, у которого ген отключили, повилика вообще не зацвела и вскоре погибла.
Чтобы проверить, действительно ли повилика ворует у хозяев белок, который регулирует цветение, авторы провели более сложный эксперимент. Они внедрили в табак -ген резуховидки, причем не обычный, а с последовательностью, кодирующей зеленый флуоресцентный белок. Затем трансгенные растения и табак дикого типа заразили повиликой.
Табак из обеих линий выращивали в условиях, которые подавляли синтез их собственного FT. При этом их листья обрабатывали эстрадиолом, который запускал экспрессию -гена резуховидки. Как и ожидалось, авторы обнаружили следы флуоресцентного белка у трансгенных экземпляров. Более того, следы флуоресцентного белка удалось зафиксировать в стеблях повилики, которая росла на табаке из экспериментальной группы. Табак дикого типа из контрольной группы так и не зацвел — как и паразитирующая на нем повилика.
Дополнительные эксперименты с соей подтвердили, что концентрация FT-белков (у сои их два) у растения-хозяина и повилики синхронизированы. Кроме того, авторы продемонстрировали способность FT-белков резуховидки и сои связываться с фактором транскрипции FD, выделенным из повилики. Последний активирует гены, которые участвуют в запуске цветения. Дополнительные доказательства, что FT хозяина активирует формирование цветов у паразита, были получены с помощью секвенирования РНК. Авторы допускали, что в основе этого механизма может лежать не сам белок, а его матричная РНК, однако анализ опроверг эту идею.
Синхронизация цветения с хозяином известна для еще одного вида повилик, , который приходится довольно отдаленным родственником и . По мнению авторов, это указывает, что «воровство» белков, отвечающих за цветение, появилось у повилик уже на ранних этапах эволюции рода. С помощью этой стратегии паразитические растения могут наиболее эффективно использовать ресурсы, предоставляемые хозяином. Если повилика зацветет раньше хозяина, то не сможет произвести достаточно семян, а если позже, то рискует не успеть закончить жизненный цикл.
Паразитический образ жизни порой приводит к радикальному упрощению генома. Например, в пластидах двух паразитических растений из рода осталось всего 19 генов. Остальные исчезли за ненадобностью, ведь к фотосинтезу они не способны.