Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


А. Акопян
Как ищут тёмную материю


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду


Б. Штерн
Шкловский — 100







Главная / Новости науки версия для печати

Бактериальные гены помогают нематодам паразитировать на растениях


Паразитические нематоды (окрашены красным) в корне кукурузы. Фото с сайта extension.iastate.edu
Паразитические нематоды (окрашены красным) в корне кукурузы. Фото с сайта extension.iastate.edu

Ферменты, расщепляющие целлюлозу, пектины и другие компоненты оболочки растительных клеток, почти не встречаются у животных, однако паразитирующие на растениях нематоды (круглые черви) имеют богатейший арсенал таких ферментов. Французские ученые показали, что на ранних этапах своей эволюции растительноядные нематоды позаимствовали гены этих ферментов у различных бактерий. Именно благодаря этим заимствованиям нематодам удалось стать эффективными паразитами растений. Ранее уже было описано несколько случаев горизонтального переноса генов от бактерий к животным, но до сих пор не удавалось столь четко продемонстрировать адаптивное (приспособительное) значение заимствованных генов и их важную эволюционную роль.

Нематода Meloidogyne incognita (увеличенная в 500 раз) проникает в корень томата. Фото с сайта www.sciencedaily.com
Нематода Meloidogyne incognita (увеличенная в 500 раз) проникает в корень томата. Фото с сайта www.sciencedaily.com

Нематоды — паразиты растений являются опаснейшими вредителями (см. Нематодные болезни растений): причиняемый ими ущерб оценивается в 157 миллиардов долларов в год. Поэтому их весьма активно изучают, и в открытых базах данных уже накопилось большое количество сведений о нуклеотидных последовательностях их генов. В 2008 году был прочтен полный геном растительноядной нематоды Meloidogyne incognita (см.: Pierre Abad et al. Genome sequence of the metazoan plant-parasitic nematode Meloidogyne incognita // Nature Biotechnology, 2008, v. 26, pp. 909–915); «вчерне» прочтены геномы еще нескольких видов; по множеству видов есть более фрагментарные данные.

Уникальная особенность фитопатогенных нематод — наличие впечатляющего арсенала ферментов, предназначенных для деградации (разрушения) основных компонентов стенки растительных клеток: целлюлозы, гемицеллюлоз и пектинов. Эти ферменты необходимы паразитам для проникновения в ткани растения-хозяина и перемещения в них. У других животных, за редчайшими исключениями, таких ферментов нет, зато они характерны для многих бактерий и грибов. Поэтому напрашивается предположение, что нематоды позаимствовали соответствующие гены у бактерий или грибов путем горизонтального переноса.

Ранее уже было описано несколько случаев горизонтального переноса генов от бактерий к животным (см.: Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями, «Элементы», 05.09.2007; Горизонтальный обмен генами заменяет коловраткам половое размножение, «Элементы», 07.06.2008). Кроме этих случаев, о которых мы рассказывали ранее, обнаружено заимствование генов тлями у своих бактериальных симбионтов (см.: Naruo Nikoh, Atsushi Nakabachi. Aphids acquired symbiotic genes via lateral gene transfer // BMC Biology 2009, 7:12), а также перенос генов водоросли в геном уникального морского моллюска Elysia chlorotica, который сохраняет хлоропласты съеденных водорослей живыми в своих тканях и таким образом приобретает способность к фотосинтезу (см.: Mary E. Rumpho et al. Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica // PNAS, 2008, v. 105, pp. 17867–17871). Во всех этих случаях речь идет либо о переносе генов от симбионта к хозяину (что помогает хозяину обеспечивать симбионта всем необходимым), либо о генетических заимствованиях, приспособительное значение которых не вполне очевидно. В принципе, эти случаи можно было до сих пор рассматривать как редкие курьезы, не играющие существенной роли в эволюции животных. Совсем другое дело, если бы удалось убедительно продемонстрировать роль горизонтального переноса в становлении такой большой и важной группы животных, как фитопатогенные нематоды. Именно это и попытались сделать французские исследователи в статье, опубликованной 12 октября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA.

Сахарная свекла, пораженная нематодой Meloidogyne incognita. Фото с сайта doacs.state.fl.us
Сахарная свекла, пораженная нематодой Meloidogyne incognita. Фото с сайта doacs.state.fl.us

Авторы провели сравнительный анализ аминокислотных последовательностей всех встреченных у нематод ферментов, связанных с деградацией растительной клеточной стенки, а также всех похожих белков, имеющихся у других живых организмов. Результаты сравнения представлялись в виде филогенетических реконструкций (эволюционных деревьев), построенных при помощи самых надежных современных методов (см.: Phylogenetic reconstruction). В общей сложности у нематод обнаружилось шесть семейств белков, имеющих отношение к растворению клеточной стенки. По-видимому, все соответствующие гены действительно были заимствованы нематодами у различных бактерий, причем большинство заимствований произошло на ранних этапах эволюции фитопатогенных нематод. Заимствованные у бактерий гены впоследствии подвергались многочисленным дупликациям; получившиеся новые копии генов дивергировали (накапливали отличия) и делили между собой функции. В результате нематоды обзавелись целым арсеналом разнообразных ферментов для разрушения клеточных стенок.

Каждое из шести семейств белков, обнаруженных у нематод, имеет свою историю.

Полигалактуроназы (polygalacturonase) участвуют в расщеплении пектинов. Эти ферменты не встречаются у животных, за исключением паразитических нематод и двух видов растительноядных насекомых (один из которых, возможно, заимствовал ген полигалактуроназы у гриба, а другой — у кишечной симбиотической бактерии). Судя по получившейся филогенетической реконструкции, нематоды заимствовали ген полигалактуроназы у микроба, близкого к современной бета-протеобактерии Ralstonia solanacearum. Самое интересное, что эта бактерия паразитирует на тех же самых растениях, что и нематоды, заимствовавшие ее ген. Возможно, предки современных паразитических нематод проглатывали предков ральстонии, копаясь в корнях растений.

Пектат-лиазы (pectate lyase) тоже расщепляют пектин, но другим способом. Нематоды позаимствовали гены пектат-лиаз у актинобактерий, причем заимствование было неоднократным. Одним из доноров полезного гена, по-видимому, был предок или близкий родственник актинобактерии Clavibacter michiganensis — злостного паразита тех же самых растений, на которых паразитируют и нематоды, обладающие генами пектат-лиаз. У некоторых паразитических нематод исходный ген пектат-лиазы, позаимствованный у актинобактерии, размножился в результате последовательных дупликаций и теперь представлен так называемым «мультигенным семейством».

Арабинаназы (arabinanase) расщепляют боковые цепи пектинов, состоящие из арабинанов и арабиногалактанов. Нематоды — паразиты растений позаимствовали ген арабинаназы у каких-то древних актинобактерий, возможно, единожды, на самой заре своей эволюции. Это следует из того, что все гены арабинаназ, обнаруженные у нематод, образуют четкий монофилетический (то есть происходящий от одного общего предка) кластер, а самые похожие арабинаназы имеются у актинобактерий.

Целлюлазы (cellulase) расщепляют целлюлозу — самый распространенный биополимер на нашей планете и главный компонент клеточных стенок у растений. У фитопатогенных нематод обнаружены целлюлазы, сходные с целлюлазами многих бактерий, а также одноклеточных эукариот, обитающих в кишечнике термитов, и двух видов растительноядных жуков. Больше ни у каких животных эти ферменты не найдены. Целлюлазы нематод и жуков очень похожи друг на друга и на целлюлазу почвенной бактерии Cytophaga hutchinsonii (из группы Bacteroidetes), которая славится своей способностью быстро переваривать целлюлозу. Скорее всего, нематоды и жуки независимо друг от друга позаимствовали ценный ген у бактерии, близкой к Cytophaga hutchinsonii.

Ксиланазы (xylanase) расщепляют гемицеллюлозу. Ксиланазы, обнаруженные у нематод, образуют монофилетическую группу и больше всего похожи на ксиланазу почвенной бактерии Clostridium acetobutylicum из группы Firmicutes. По-видимому, предки нематод — паразитов растений на ранних этапах своей эволюции единожды позаимствовали ген ксиланазы у бактерии, близкой к C. acetobutylicum.

Экспансины (см. Expansin) не являются ферментами (они не катализируют химических реакций), но нематоды, по-видимому, используют эти белки наряду с вышеперечисленными ферментами для проникновения в ткани растений. Экспансины размягчают клеточную стенку путем ослабления нековалентных связей между ее составляющими. Большинство экспансинов — растительные белки, но они есть также у грибов, простейших и актинобактерий. Нематоды, по-видимому, заимствовали гены экспансинов у актинобактерий, причем произошло это как минимум дважды. У многих нематод гены экспансинов образуют мультигенные семейства, что свидетельствует о многочисленных дупликациях, которым подверглись заимствованные у бактерий гены.

Помимо биоинформационного анализа (то есть компьютерной обработки данных по аминокислотным последовательностям) авторы провели и экспериментальную работу, в ходе которой им удалось подтвердить, что изученные белки действительно производятся в клетках паразитических нематод. Любопытно, что ферменты, предназначенные для разрушения клеточных стенок, особенно активно синтезируются в оболочке яиц и в вульве у самок: видимо, нематодам очень важно размягчить растительные ткани во время откладки яиц.

Исследование убедительно показало, что становление большой и разнообразной группы животных — фитопатогенных нематод — было тесно связано с горизонтальным переносом генов от бактерий к животным. Донорами генов послужили представители нескольких групп почвенных и паразитических бактерий: грамотрицательные бета-протеобактерии и Bacteroidetes, грамположительные актинобактерии и клостридии. Каким образом бактериальные гены попадали в половые клетки животных, неизвестно, но приходится признать, что такие события иногда всё-таки происходят и могут иметь далеко идущие эволюционные последствия. Очевидно, что эволюционный успех фитопатогенных нематод во многом был предопределен именно заимствованными у бактерий генами.

Источник: Etienne G. J. Danchin, Marie-Noëlle Rosso, Paulo Vieira, Janice de Almeida-Engler, Pedro M. Coutinho, Bernard Henrissat, Pierre Abad. Multiple lateral gene transfers and duplications have promoted plant parasitism ability in nematodes // PNAS. 2010. V. 107. P. 17651–17656.

См. также:
1) Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями, «Элементы», 05.09.2007.
2) Горизонтальный обмен генами заменяет коловраткам половое размножение, «Элементы», 07.06.2008.
3) А. В. Марков. Горизонтальный перенос генов и эволюция.

Александр Марков


Комментарии (5)



Последние новости: ГенетикаЭволюцияАлександр Марков

23.07
Млекопитающие с относительно крупным мозгом более уязвимы
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
7.07
В бирманском янтаре мелового периода найден вымерший убийца пауков
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия