Бактериальные гены помогают нематодам паразитировать на растениях

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 нематоды — паразиты растений 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

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

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.

Автор: Александр Марков