Ученые обнаружили «переломный момент» в эволюции грибов, который ограничивает их рост и изменяет их форму. Результаты, опубликованные в журнале Cell Reports, демонстрируют, как небольшие изменения факторов окружающей среды могут привести к огромным изменениям в результатах эволюции.
Грибы — лучшие природные компостеры. Они ждут в лесной подстилке, чтобы питаться опавшими деревьями и осенними листьями, выделяя из этих растений необходимые питательные вещества обратно в Землю.
Хотя грибы часто напоминают грибные шляпки, у грибов также есть подземные «корни», называемые мицелием. Мицелий состоит из тысяч взаимосвязанных микроскопических пальцеобразных клеток, называемых гифами, которые разрастаются в обширные сети. Гифы проникают в почву, вырастая из кончиков. Для этого они надуваются, подобно длинным воздушным шарам, из которых делают животных.
Их удлиненная форма позволяет гифам находить и потреблять питательные вещества в почве. Но не все гифы одинаковой формы: у некоторых кончики закруглены, а у других заострены. Гифы водяной плесени — грибковых патогенов, вызывающих фитофтороз сельскохозяйственных культур — особенно заостренные.
«Основной задачей биологии является выявление конкретных эволюционных факторов, которые определяют форму или форму данного организма», — сказал старший автор исследования Энрике Рохас из Нью-Йоркского университета.
Чтобы понять причины различной формы гиф, Рохас и его коллеги объединили теорию и эксперименты, чтобы исследовать грибы и водные плесени, встречающиеся в природе. Сначала они использовали основанные на физике модели инфляционного роста кончиков гиф, чтобы определить все «возможные» формы гиф. Удивительно, но формы «настоящих» гиф, встречающихся в природе, предполагали лишь небольшую часть возможных форм.
Исследователи предположили, что ограниченные формы, наблюдаемые в природе, отражают «выживание наиболее приспособленных», а многие возможные формы, не наблюдаемые у реальных грибов, по какой-то причине являются более слабыми эволюционными отбросами. Чтобы изучить эту идею, они изучили скорость роста гиф различной формы, чтобы создать благоприятный ландшафт для гиф.
«Наш момент эврики наступил, когда мы поняли, что форма гиф тесно связана с их способностью быстро расти», — сказал ведущий автор исследования Максим Охайрве из Нью-Йоркского университета.
Фитнес-ландшафт подобен топографической карте, которая визуализирует эволюцию организма: каждый вид блуждает по своему фитнес-ландшафту, проверяя, увеличивают ли случайные мутации в его генах скорость его роста или приспособленность. Вид прекращает свое беспокойное блуждание только тогда, когда новая мутация снижает его приспособленность, то есть когда она находится на пике приспособленности.
Однако команда Рохаса обнаружила, что фитнес-ландшафты могут быть гораздо более богатыми, чем система пиков и долин. Фактически, они обнаружили, что ландшафт приспособленности гиф содержит нависающий обрыв или переломный момент, и что это действует как барьер для эволюции, сильно ограничивая формы грибных гиф. Соответственно, они предсказали, что гифы, форма которых близка к переломному моменту, будут особенно уязвимы к небольшим изменениям окружающей среды, химическим или генетическим изменениям.
Исследователи проверили свое предсказание, обработав грибы вблизи критической точки небольшими количествами химикатов, влияющих на рост гиф. Они использовали одно химическое вещество, которое снижает давление внутри гиф, и другое, полученное из морской губки, которое блокирует способность гиф доставлять клеточные компоненты к кончику клетки. Обе обработки вызвали один и тот же драматический эффект: гифы удлинялись гораздо медленнее и имели странную форму бугорка, не встречающуюся в природе.
«Наши результаты объясняют разнообразие форм гиф у огромной, разнообразной и важной группы видов», — сказал Рохас. «В более широком смысле они также демонстрируют важный новый эволюционный принцип: в фитнес- ландшафтах могут быть нестабильности или переломные моменты, которые накладывают строгие ограничения на сложные черты, такие как биологическая форма».
Исследователи полагают, что их результаты имеют решающее значение для нашего понимания многих экологических и эволюционных систем. Например, те виды, чья эволюция подвержена переломному моменту, могут оказаться наиболее уязвимыми к постепенному повышению температуры, вызванному изменением климата.
Их результаты могут также помочь в разработке новых противомикробных препаратов против болезнетворных грибов путем выявления уязвимостей в их росте, связанных с переломным моментом эволюции.
