Учёные выяснили, как растения 400 млн лет назад научились защищаться от ультрафиолета

Когда первые растения выбрались из воды на сушу более 400 миллионов лет назад, они столкнулись с проблемой, которой не знали в океане: прямое ультрафиолетовое излучение. Вода фильтрует UV-B-лучи, но на открытом воздухе они повреждают ДНК, разрушают клеточные мембраны и нарушают фотосинтез. Чтобы выжить, растениям пришлось построить внутреннюю систему защиты — и теперь учёные из Женевского университета (UNIGE) выяснили, как именно это произошло.

Международная команда под руководством профессора Романа Ульма (Roman Ulm) изучила печёночный мох маршанция (Marchantia polymorpha) — растение, принадлежащее к одной из древнейших линий наземной флоры. Результаты опубликованы в журнале Plant Physiology.

«Наши результаты показывают, что фундаментальные «строительные блоки» системы защиты от ультрафиолета уже существовали на самых ранних стадиях эволюции растений. Но их организация и регуляция с тех пор были существенно перестроены», — резюмирует Ульм.

Древний фоторецептор UVR8 — как работает «солнцезащитный крем» растений

В центре системы защиты — белок-фоторецептор UVR8. Он выполняет роль датчика ультрафиолета: когда UVR8 поглощает UV-B-лучи, он запускает каскад молекулярных реакций, которые меняют работу множества генов. Одни гены активируют производство защитных молекул (в том числе флавоноидов — природных «солнцезащитных фильтров»), другие замедляют рост, чтобы перенаправить ресурсы на выживание.

У хорошо изученного модельного растения — резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) — этот путь включает несколько регуляторных белков: COP1 (центральный регулятор), SPA (работающий в паре с COP1) и другие. Вместе они управляют балансом между ростом и защитой: включают «солнцезащитный режим» при сильном ультрафиолете и отключают его, когда опасность миновала.

Вопрос, на который отвечает новая работа: был ли этот механизм таким с самого начала — или он усложнялся по мере эволюции?

Маршанция — живое окно в прошлое

Маршанция — не ископаемое, а живое растение, которое и сегодня растёт во влажных тенистых местах по всему миру. Но её линия отделилась от основного ствола наземных растений более 400 миллионов лет назад — задолго до появления цветковых. Изучая молекулярные механизмы маршанции, учёные могут заглянуть в прошлое и понять, какие элементы системы защиты были у самых первых обитателей суши.

Главные находки исследования:

• Ядро системы сохранилось: механизм активации фоторецептора UVR8 ультрафиолетом и его последующего отключения практически идентичен у маршанции и у современных цветковых растений. Это значит, что «солнцезащитный датчик» появился ещё до разделения этих эволюционных ветвей — более 400 млн лет назад.
• Белок SPA изменил роль: у резуховидки SPA играет ключевую роль в регуляции роста совместно с COP1. Но у маршанции его влияние на развитие значительно слабее. Более того, мутанты маршанции без SPA оказались более устойчивы к ультрафиолету — то есть SPA у древних растений действует как тормоз защитного ответа, а не как его ускоритель.
• Эволюция как «перепрошивка»: базовые компоненты системы — UVR8, COP1, SPA — присутствовали изначально, но связи между ними менялись. Современные цветковые растения «перепрограммировали» древние молекулы для более тонкой и многоуровневой регуляции, интегрировав защиту от ультрафиолета с контролем развития, цветения и архитектуры побегов.

Почему это важно на фоне изменения климата

Понимание эволюции UV-защиты — не чисто академический вопрос. Изменение климата меняет условия освещения: истончение озонового слоя в отдельных регионах увеличивает дозу UV-B, а изменение облачности и вегетационных сезонов смещает режимы освещения, к которым растения адаптированы.

Знание того, какие элементы защитной системы являются древними и консервативными (а значит, наиболее устойчивыми), а какие — более поздними и пластичными, может помочь селекционерам. Если один белок работает как «тормоз» защиты, его отключение может повысить устойчивость культурных растений к ультрафиолетовому стрессу — без необходимости вводить чужеродные гены.

По данным UNEP, интенсивность UV-B-излучения у поверхности Земли продолжает оставаться повышенной в высоких широтах из-за замедленного восстановления озонового слоя — особенно над Арктикой и Антарктикой. В 2024–2025 годах зафиксированы аномальные эпизоды истончения озона над северной Европой. Для сельскохозяйственных культур, продвигающихся в северные зоны на фоне потепления, способность противостоять ультрафиолету становится практической необходимостью.

Исследование группы Ульма даёт для этого молекулярную карту — показывает, какие «рычаги» растительной защиты можно усиливать, а какие — ослаблять.