Mszaki nienaczyniowe żyją w koloniach, które pokrywają ziemię i przypominają małe lasy. W prawdziwym lesie rośliny rywalizują o światło w różnych warstwach baldachimu. Jeśli roślina nie otrzymuje wystarczającej ilości światła słonecznego, zatrzymuje boczne rozgałęzienia i zamiast tego rośnie pionowo, aby dotrzeć do światła słonecznego.

Naukowcy z Instytutu Biologii Molekularnej Roślin im. Gregora Mendla (GMI) Austriackiej Akademii Nauk odkryli, że wątrobowiec Marchantia polymorpha, którego ciało rośliny zasadniczo różni się od ciała roślin naczyniowych, również dostosowuje swoją architekturę w odpowiedzi na cień. Te nowe spostrzeżenia na temat ewolucji szlaków genetycznych rządzących rozgałęzieniami zostały opublikowane w Bieżąca biologia.

Lasy składają się z wielowarstwowych baldachimów, w których drzewa i inne rośliny rywalizują o światło. Niedostateczne nasłonecznienie powoduje, że rośliny regulują swoje wzorce rozgałęzień, aby sprzyjać wzrostowi pionowemu. Rośliny dostrzegają różnicę między bezpośrednim światłem słonecznym a cieniem za pomocą fitochromów, fotoreceptorów, które są powszechnie obecne w królestwie roślin, od alg, przez mszaki, po rośliny kwitnące.

„Od dawna wiemy, że fitochromy informują rośliny naczyniowe, aby przestały rosnąć poprzecznie i zamiast tego rosły pionowo, aby uniknąć lub przerosnąć zacienionego sąsiada” – mówi pierwsza autorka Susanna Streubel, była doktor habilitowana w grupie Dolan w GMI. Nowe gałęzie wzdłuż łodygi są wytwarzane z merystemów bocznych, generatywnych centrów roślinnych komórek macierzystych, które sprzyjają wzrostowi bocznemu. „Ta reakcja na cień wymaga wyłączenia aktywności merystemów bocznych”.

Wątrobowce zmniejszają rozgałęzienia w cieniu

Naukowcy postawili hipotezę, że wątrobowce, nienaczyniowe mszaki, które prawdopodobnie przypominają najwcześniejsze rośliny kolonizujące ląd, również mają mechanizm dostosowywania swojego wzoru rozgałęzień do zmieniających się warunków świetlnych. Podobnie jak rośliny naczyniowe, mają merystem i są zdolne do rozgałęziania się. Jednak w przeciwieństwie do roślin naczyniowych, które rozgałęziają się bocznie poniżej wierzchołka lub wierzchołka, mszaki rozgałęziają się tylko na wierzchołku w mechanizmie zwanym rozgałęzieniem dychotomicznym.

Naukowcy fenotypowali wątrobowce i odkryli, że w pełnym białym świetle płaski korpus wątrobowca, znany również jako wzgórze, regularnie się rozgałęział. „Jednak w symulowanym cieniu wiele merystemów wątrobowców wzdłuż głównej osi wzrostu stało się uśpionych i nie wytwarzało gałęzi. W ten sposób plecha przejawiała cechy unikania cienia” – mówi Streubel. Ponieważ wątrobowce również wykorzystują fitochromy, naukowcy przeanalizowali mutacje wpływające na fitochrom i geny związane z fitochromem. Wykazali, że podobnie jak w lądowych roślinach naczyniowych szlak sygnałowy fitochromu kieruje reakcją unikania cienia u wątrobowców.

Niezależna ewolucja regulacji molekularnej?

Dolan i jego zespół poszukiwali dodatkowych genetycznych regulatorów dychotomicznego rozgałęzienia i aktywności merystemu u M. polymorpha. Badając wzorce ekspresji genów w pełnym świetle białym iw cieniu, odkryli, że czynnik transkrypcyjny zwany MpSPL1 i specyficzny dla wątrobowca mikroRNA (miRNA) mają antagonizujący wpływ na funkcje merystemów: MpSPL1 jest niezbędny do usypiania merystemów, podczas gdy wątrobowiec- specyficzny miRNA je aktywuje.

Wyniki te częściowo kontrastują ze znanym mechanizmem molekularnym regulowanych światłem bocznych rozgałęzień u Arabidopsis thaliana, najlepiej zbadanego modelu roślin naczyniowych. W rzeczywistości, chociaż geny kontrolujące regulowane przez światło rozgałęzienia u Arabidopsis również należą do rodziny SPL i są celem miRNA, są one ewolucyjnie odległe od tych zidentyfikowanych obecnie u wątrobowca.

Dzięki tym wynikom zespół spekuluje, że mechanizmy molekularne regulujące rozgałęzienia mogły ewoluować niezależnie u mszaków i roślin naczyniowych. „Ogólnie rzecz biorąc, nasze odkrycia pokazują, że częściowo konserwatywny mechanizm regulowanej fitochromem aktywności genów miRNA i SPL kontroluje rozgałęzienia w całkowicie rozbieżnych rodzinach roślin lądowych o zasadniczo różnych sposobach rozgałęziania się” – mówi Liam Dolan, lider grupy GMI, autor korespondent badanie.