En undersøgelse ledet af forskere fra Tasmanien, Chile og Tyskland har fremmet vores forståelse af planteudvikling ved at spore oprindelsen af elektriske signalkomponenter, som planter udviklede til at kommunikere og tilpasse sig livet på land.
Forskerholdet, herunder planteforskeren Dr. Frances Sussmilch fra University of Tasmania, studerede DNA-sekvenser af forskellige plantearter for at kortlægge den evolutionære oprindelse af vigtige tilpasninger.
"Ved at se nøje på sekvenserne for kaliumkanaler i disse arter, var vi glade for at se beviser for ældgamle evolutionære begivenheder, der har ført til de komplekse celle-til-celle-signaleringsmekanismer, som kan ses i nutidens planter," sagde Dr. Sussmilch.
Denne historie begyndte for omkring 500 millioner år siden, da algeforfædrene til landplanter dukkede op fra vand og erobrede tørt land.
Planter stod over for nye udfordringer på landjorden, herunder vanskelige og foranderlige miljøforhold såsom tørke, varme, UV og vind, og interaktioner med nye biologiske trusler.
"Disse gamle plantepionerer gjorde landskabet mere gæstfrit for de første landdyr og gav anledning til den utrolige mangfoldighed af landplanter, vi ser i dag, herunder moser, bregner, gymnospermer og blomstrende planter," sagde Dr. Sussmilch.
"En funktion, der sandsynligvis har hjulpet planter til at trives på land, er tilstedeværelsen af molekylære mekanismer til celle-til-celle-signalering. Dette muliggør kommunikation mellem celler i plantekroppen, hvilket letter koordinerede reaktioner på miljøændringer."
Et middel til hurtig celle-til-celle kommunikation, der fungerer i planter, er handlingspotentialebaseret elektrisk signalering, som kan sammenlignes med de elektriske impulser, der styrer det synkroniserede hjerteslag.
I planter kan aktionspotentialer bruges til hurtige reaktioner på signaler, herunder sår eller berøring, såsom en Venus-fluefælde, der klikker. Til elektrisk kommunikation har planter brug for spændingsstyrede ionkanaler, som styrer strømmen af ioner ind og ud af en celle som reaktion på stressfaktorer.
Dr. Sussmilch sagde, at kanaler, der muliggør bevægelse af kaliumioner over cellemembranen i planter, spiller en afgørende rolle for elektrisk excitabilitet.
Forskerne gjorde brug af gensekvensressourcer for arter, der repræsenterede hver af hovedgrupperne af landplanter og grønne alger.
De undersøgte sekvenserne af kaliumkanaler fra disse forskellige planter for sekvens-'fingeraftryk', der indikerer forskellige strukturelle og funktionelle karakteristika.
Undersøgelsen fandt, at sekvenser med det fingeraftryk, der er karakteristisk for én gruppe af beslægtede effluxkanaler, som gør det muligt for kaliumioner at forlade cellerne, blev bevaret mellem de fleste landplantelinjer - leverurter, hornurter, bregner, gymnospermer og blomstrende planter - og deres nærmeste nulevende algeslægtninge.
"Dette tyder på, at denne kan altype allerede kan have været til stede i planter, da de først kom op af vandet og sandsynligvis blev bevaret, da landplanter fortsatte med at udvikle sig på grund af dens betydning for celle-til-celle-kommunikation," Dr. Sussmilch sagde.
Denne kan altype var dog fraværende i alle undersøgte mosarter, hvilket tyder på, at den kan være blevet unødvendig i de nicher, som tidlige mosser besatte og er gået tabt fra genomet fra en fælles forfader til mosserne, der lever i dag.
Derimod fandt de ud af, at fingeraftrykkene for fire forskellige typer af beslægtede tilstrømningskanaler, der gør det muligt for kaliumioner at trænge ind i celler, er blevet diversificeret på det seneste, hvilket giver mulighed for en øget variation af kanalfunktioner i blomstrende planter.
Forskningsresultaterne sammen med en sekvensanalysepipeline, der kan bruges til at undersøge udviklingen af andre genfamilier på samme måde, er for nylig blevet offentliggjort i tidsskriftet Trends in Plant Science.
