Несосудистые бриофиты живут колониями, которые покрывают землю и напоминают крошечные леса. В настоящем лесу растения конкурируют за свет в разных слоях полога. Если растение не получает достаточно солнечного света, оно прекращает боковое ветвление и вместо этого растет вертикально, чтобы достичь солнечного света.

Исследователи из Института молекулярной биологии растений имени Грегора Менделя (GMI) Австрийской академии наук обнаружили, что печеночница Marchantia polymorpha, чье растительное тело принципиально отличается от тела сосудистых растений, также адаптирует свою архитектуру в ответ на тень. Эти новые сведения об эволюции генетических путей, регулирующих ветвление, были опубликованы в журнале Current Biology.

Леса состоят из многослойных навесов, в которых деревья и другие растения конкурируют за свет. Недостаток солнечного света заставляет растения регулировать свои ветви в пользу вертикального роста. Растения воспринимают разницу между прямым солнечным светом и тенью с помощью фитохромов - фоторецепторов, которые повсеместно присутствуют в растительном мире, от водорослей до бриофитов и цветковых растений.

"Мы давно знаем, что фитохромы информируют сосудистые растения о том, что нужно прекратить рост в боковом направлении и вместо этого расти вертикально, чтобы избежать или перерасти затеняющего соседа, - говорит первый автор Сюзанна Штреубель, бывший постдокторант в группе Долана в GMI. Новые ветви вдоль стебля образуются из боковых меристем - генеративных центров клеток стебля растения, которые способствуют боковому росту". "Такая реакция на тень требует, чтобы активность боковых меристем была выключена".
Печеночники уменьшают ветвление в тени

Исследователи предположили, что печеночники - бессосудистые бриофиты, которые, предположительно, похожи на самые ранние колонизирующие сушу растения, - также имеют механизм адаптации своего ветвления к изменяющимся условиям освещения. Как и сосудистые растения, они имеют меристемы и способны ветвиться. Однако в отличие от сосудистых растений, которые ветвятся латерально под верхушкой или верхушечным отростком, бриофиты ветвятся только на верхушке, что называется дихотомическим ветвлением.

Исследователи провели фенотипирование печеночников и обнаружили, что при полном белом свете плоское тело печеночника, также известное как таллом, регулярно ветвится. "Однако в имитируемой тени многие меристемы печеночников вдоль главной оси роста становились спящими и не производили ветвей. Таким образом, таллус проявлял черты избегания тени", - говорит Штреубель. Поскольку печеночники также используют фитохромы, исследователи проанализировали мутации, влияющие на фитохромы и фитохром-ассоциированные гены. Они показали, что, как и у сосудистых наземных растений, сигнальный путь фитохрома направляет реакцию избегания тени у печеночников.
Независимая эволюция молекулярной регуляции?

Долан и его команда искали дополнительные генетические регуляторы дихотомического ветвления и активности меристемы у M. polymorpha. Изучая паттерны экспрессии генов при полном белом свете и в тени, они обнаружили, что транскрипционный фактор MpSPL1 и специфическая для печеночников микроРНК (миРНК) оказывают антагонистическое воздействие на функцию меристемы: MpSPL1 необходим для приведения меристем в состояние покоя, в то время как миРНК, специфичная для печени, активирует их.

Эти результаты частично контрастируют с известным молекулярным механизмом регулируемого светом бокового ветвления у Arabidopsis thaliana, наиболее изученной модели сосудистых растений. На самом деле, хотя гены, контролирующие светорегулируемое ветвление у арабидопсиса, также принадлежат к семейству SPL и являются мишенями миРНК, они эволюционно далеки от тех, которые сейчас идентифицированы у печеночницы.

С учетом этих результатов команда предполагает, что молекулярные механизмы, регулирующие ветвление, могли развиваться независимо у бриофитов и сосудистых растений. "В целом, наши результаты показывают, что частично консервативный механизм регулируемой фитохромом активности миРНК и генов SPL контролирует ветвление в совершенно дивергентных семействах наземных растений с принципиально разными способами ветвления", - говорит руководитель группы GMI Лиам Долан, автор-корреспондент исследования.