Кирилл Еськов - Доказательства эволюции

Данный пример показывает, что весьма крупное новшество в строении цветка, позволившее выделить Iberis в самостоятельный род, возникло не ex nihilo. Если допустить версию о независимом творении этого рода, останется непонятным, почему ген IaTCP1 столь похож по своей структуре на TCP1 Arabidopsis , а они оба могут быть выявлены по сходству с CYC-подобными генами львиного зева. Конечно, мы не могли пронаблюдать сам процесс возникновения Iberis , но дошедшие до нас следы этого события недвусмысленно указывают на преемственность между этим родом и другими группами крестоцветных.

Литература

Busch A., Zachgo S. 2007. Control of corolla monosymmetry in the Brassicaceae Iberis amara. PNAS 104 (42): 16714-16719.

Семейство орхидные (Orchidaceae) — второе по величине среди цветковых растений. Оно насчитывает около 30 тысяч видов, поражающих разнообразием и изысканностью своих цветков. За их красотой, однако, стоит суровая утилитарность: цветок орхидеи приспособлен для опыления строго определённым опылителем (60 % видов орхидей опыляются лишь одним видом животных, главным образом насекомых). Но почему именно у орхидных (а не у лилейных, например) появлось такое разнообразие цветков? Ответ на этот вопрос дают недавние работы М. Мондрагон-Паломино с соавторами (Mondragón-Palomino & Theißen, 2008, 2009; Mondragón-Palomino, 2009), проливающие свет и на происхождение этого огромного семейства.

При всем своем разнообразии цветки орхидей имеют сходный план строения: как правило, их трудно перепутать с цветками растений из других семейств. Для подавляющего большинства орхидей характерна отчетливая двусторонняя симметрия цветка. Околоцветник всегда состоит из шести элементов, расположенных в два круга по три. Обычно листочки наружного круга околоцветника (иногда неверно называемые «чашелистиками») примерно одинаковы по форме и размерам (T1-T3 на схеме внизу), в то время как средний элемент внутреннего круга (t3, губа) как правило резко отличается от двух боковых листочков (t1 и t2). Губа играет важную роль во взаимодействии с опылителем, а потому её строение бывает особенно замысловатым.

Схема строения околоцветника орхидей на примере Dendrobium cariniferum (из статьи Mondragón-Palomino & Theißen, 2008)

Сверху : радиально-симметричный цветок у Spiloxene serrata , представителя семейства гипоксиевые (Hypoxidaceae) из Южной Африки. Снизу : симметрия цветка орхидей Apostasia wallichii (подсемейство Apostasioideae) из Новой Гвинеи близка к радиальной ( http://www.orchidspecies.com/apostwallichii.htm).

Орхидеи: ваниль ( Vanilla planifolia , подсемейство Vanilloideae) из тропиков Нового Света ( http://www.dragonagro.com/wholesale_orchids.htm); Венерин башмачок ( Cypripedium calceolus , подсемейство Cypripedioideae), Ленинградская область; ятрышник шлемоносный ( Orchis militaris , подсемейство Orchidoideae), Ленинградская область; дремлик болотный ( Epipactis palustris , подсемейство Epidendroideae), Ленинградская область.

Ближайшим родственником орхидных является семейство гипоксиевые (Hypoxidaceae); к нему относятся травянистые растений с радиально-симметричными цветками. Само же семейство Orchidaceae состоит из пяти подсемейств: Apostasioideae (небольшая группа орхидей, встречающихся в Непале, Японии, Китае, Новой Гвинее и Австралии), Vanilloideae (например, ваниль), Cypripedioideae (сюда относится венерин башмачок), Orchidoideae (например, ятрышник или любка) и Epidendroideae (80 % видов орхидей, в их числе дремлик, гнездовка, тайник и др.). Эти подсемейства отчетливо различаются по особенностям цветка; кроме того, их выделение подтверждено данными молекулярной филогенетики. Среди них подсемейство Apostasioideae — явно самое древнее и примитивное: венчик у его представителей почти радиально-симметричный, есть и ряд других архаичных особенностей.

Родственные связи между Hypoxidaceae и подсемействами орхидных (из статьи Mondragón-Palomino & Theißen, 2008). Филогенетическое дерево, построено путем анализа последовательностей ДНК нескольких пластидных генов ( rbc L, mat K, atp B), взятых у большого числа видов из всех перечисленных семейств и подсемейств. Хотя эти гены не имеют отношения к развитию цветка, полученная на их основе схема родственных связей хорошо согласуется с имеющимися представлениями об эволюции этого органа у орхидных, в частности — с тенденцией к переходу от радиальной к двусторонней симметрии околоцветника.

У всех изученных цветковых растений в регуляции образования околоцветника участвуют так называемые гены В-класса, подобные генам DEFICIENS (DEF) и GLOBOSA (GLO) львиного зева (им соответствуют APETALA3 и PISTILLATA у Arabidopsis). Мы не будем обсуждать АВС-модель и более современные концепции, объясняющие работу этих генов (подробности можно посмотреть здесьили здесь). Нам важно лишь отметить, что у многих растений имеется только один DEF-подобный и один GLO-подобный ген, которые и обеспечивают формирование у них нормальных цветков.

У орихидных, однако, дело обстоит гораздо интереснее. Как обнаружила М. Мондрагон-Паломино и её коллеги, у них есть целых четыре DEF-подобных гена, и каждый из них выполняет свою функцию. Условно говоря, гены 1 и 2 определяют, что органы, формирующиеся под их контролем, станут именно листочками околоцветника, а не листьями, тычинками или плодолистиками; ген 3 задаёт отличия элементов внутреннего круга околоцветника от наружного, а ген 4 отвечает за образование губы и ее отличия от боковых листочков. Столь сложная система регуляции и обеспечивает разнообразие морфогенетических возможностей для цветков орхидных. Мы видим, в частности, что за формирование губы у орхидей отвечает спецальный ген: не случайно некоторые морфологи трактовали эту часть околоцветника как совершенно особый орган.

Четыре DEF-подобных гена обнаружены у представителей всех четырех подсемейств орхидных (Vanilloideae, Cypripedioideae, Orchidoideae и Epidendroideae), исследованных М. Мондрагон-Паломино. У гипоксиевых же найдены только два таких гена, причем один из них близок по структуре к генам 1 и 2 у орхидей, а другой — к их генам 3 и 4. Эти данные показывают, что у предков орхидных произошло два цикла удвоения DEF-подобных генов с последующим «разделением труда» между получившимися копиями. Вероятно, такое удвоение и стало той ключевой инновацией, которая предопределила нынешнее разнообразие и эволюционный успех орхидных.