Новое исследование, проведённое под руководством учёных из Стокгольмского университета в сотрудничестве со Шведским университетом сельскохозяйственных наук и Университетом Линнея, опубликовано в журнале Current Biology. Исследование демонстрирует, как бактерии теряют гены и адаптируются к растущей зависимости от хозяина, на примере микроскопического альянса между водорослями и бактериями.
Симбиоз в бедных питательными веществами водах
В некоторых из наиболее бедных питательными веществами водах океанов крошечные партнёрства поддерживают жизнь. Эти партнёрства, называемые симбиозами, существуют между микроскопическими водорослями, известными как диатомовые водоросли, и специфическими бактериями, называемыми цианобактериями, которые могут забирать азот из воздуха и превращать его в форму, пригодную для использования живыми организмами.
В некоторых из этих симбиозов цианобактерии принадлежат к роду Richelia, и их основная роль заключается в снабжении диатомовых водорослей азотом. Диатомовые водоросли — активные фотосинтетики. Фотосинтез — это метаболический процесс, общий для всех растений, водорослей и некоторых бактерий, которые используют энергию солнечного света для превращения углекислого газа (CO₂) в химическую энергию, обычно в виде сахаров.
Физическое взаимодействие Richelia с их хозяевами-диатомовыми водорослями
Физическое взаимодействие Richelia с их хозяевами-диатомовыми водорослями может быть различным. Некоторые Richelia живут прикреплёнными к внешней стороне хозяина, другие — в пространстве между внешней клеточной стенкой диатомовой водоросли (называемой створкой) и внутренней клеточной мембраной, а некоторые живут полностью внутри. Этот «континуум» интеграции отражает различные стадии партнёрства и предоставляет исследователям уникальную возможность изучить эволюционный процесс на этих различных этапах их взаимоотношений.
«В целом, по мере того как симбионты становятся более зависимыми от своих хозяев, они становятся более интегрированными в хозяина, например, живут внутри клетки хозяина, и начинают терять геномную информацию, которая является избыточной по отношению к их хозяевам», — объясняет соавтор, профессор Рейчел Фостер из Стокгольмского университета.
Используя подход сравнительной геномики, постдокторский исследователь доктор Весна Груйичич выявила, что несколько геномных особенностей различных Richelia отражают ключевые переходные стадии в эволюционном процессе.
«По мере того как Richelia становятся более зависимыми от своих хозяев, набор генов, которые они несут, сильно меняется. Мы можем видеть, какие гены исчезают, а какие остаются — это даёт нам редкий взгляд на то, как эти партнёрства развиваются шаг за шагом. Более того, сравнивая Richelia с другими азотфиксирующими симбионтами цианобактерий, мы обнаружили как общие закономерности потери генов, так и уникальные изменения, которые отражают эволюционный путь каждой линии», — говорит Груйичич.
«Что меня больше всего волнует в этом исследовании, так это то, что разные шаги на пути к полностью интегрированному симбионту существуют одновременно. Это позволило нам изучить генетику того, как эволюционировал образ жизни, характеризующийся полной зависимостью симбионта от хозяина», — говорит Даниэль Лундин из Университета Линнея.
Груйичич провела анализ пангенома, определив набор генов, общих для всех Richelia (основной геном), а также дополнительные гены, которые различаются между видами. Вместе с Малихе Мехршад из Шведского университета сельскохозяйственных наук Груйичич также изучила закономерности сокращения генома, размер и распределение пространств между генами, известных как межгенные спейсеры, и степень псевдогенизации — когда гены накапливают мутации и теряют свою функцию.
«Уровень интеграции между Richelia и их хозяевами влияет не только на размер генома и содержание генов, но и на долю кодирующих регионов — частей ДНК, которые несут инструкции для производства белков. Изучение некодирующей ДНК, такой как межгенные спейсеры и неработающие гены (псевдогены), также многое нам рассказывает об их эволюционном пути», — говорит Мехршад.
Другой интересный результат был получен в работе исследователя Тео Виджил-Стенмана, бывшего постдока в Стокгольмском университете, который охарактеризовал все последовательности вставок и транспозоны — кусочки ДНК, известные как «прыгающие гены», потому что они могут перемещать генетическую информацию внутри генома.
Исследователи ранее заметили, что геном частично интегрированного симбионта, который живёт, вклинившись между внешней клеточной стенкой диатомовой водоросли и внутренней клеточной мембраной, лишь немного меньше генома симбионта, который прикрепляется к внешней стороне диатомовой водоросли-хозяина, и у него отсутствуют похожие метаболические пути, как у наиболее внутреннего симбионта. Обычно размер генома уменьшается по мере того, как симбионты становятся более интегрированными или живут дальше внутри своих хозяев.
«Мы не понимали, почему он может поддерживать такой размер генома, несмотря на отсутствие нескольких функциональных метаболических путей», — размышляет Фостер. «Тео Виджил-Стенман определил, что эти частично интегрированные геномы симбионтов полны последовательностей вставок, которые увеличивают размер их генома».
Исследовательская группа предполагает, что эти симбиозы диатомовых водорослей и Richelia представляют собой ценную модель для изучения эволюции генома симбионтов. Работа предлагает уникальный взгляд на эволюцию в действии, поскольку существует несколько известных примеров симбиозов, пойманных в переходных стадиях. Такой сравнительный анализ редок среди планктонных систем и ставит партнёрство диатомовых водорослей и Richelia в один ряд с другими известными моделями симбиоза.
Однако многое ещё предстоит узнать о том, как жизнь в симбиозе повлияла на эволюционную траекторию геномов диатомовых водорослей-хозяев и как такие модели азотфиксирующих симбиозов могут быть использованы в других областях. Например, могут ли такие системы дать ценную информацию для синтетической биологии при создании культур, фиксирующих азот?
Предоставлено Стокгольмским университетом.
Другие новости по теме
- Инструмент на основе ИИ нацелен на структуры РНК, чтобы разгадать тайны тёмного генома
- Фермент с широкой спецификой нацелен на гликаны из всех царств живой природы
- Платформа для проектирования белков с открытым исходным кодом для демократизации процесса разработки белков.
- Учёные обнаружили ключевой белок, регулирующий накопление жира в клетках
- Использование искусственного интеллекта для революции в открытии антибиотиков
- Малыши орангутаны подсматривают за мамой, чтобы построить уютное гнездо на дереве
- ИИ превращает простые снимки растений в ранние предупреждения о засухе, давая посевам голос в борьбе с водным стрессом
- Почему эмбрионы мужского пола растут быстрее: исследование раскрывает генетические механизмы
- Когда посетители ушли, рифы в заливе Ханаум ожили.
- Орангутаны учатся строить свои гнёзда, наблюдая за другими и много практикуясь
Другие новости на сайте
- «Космический телескоп Джеймса Уэбба запечатлел пылевые завихрения вокруг диска, где формируются планеты»
- Количественный метод визуализации показывает, как клетки быстро сортируют и транспортируют липиды
- Почему уровень вирусности Pyth Network сегодня стремительно растёт, несмотря на крах рынка криптовалют?
- Инструмент на основе ИИ нацелен на структуры РНК, чтобы разгадать тайны тёмного генома
- 7 диких фотографий. 40 лет данных. Одна история о вонючих водорослях
- Модное слово или реальная приверженность? Исследование показывает, что обещания корпораций часто не подкреплены реальными действиями по борьбе с изменением климата
- Фермент с широкой спецификой нацелен на гликаны из всех царств живой природы
- Платформа для проектирования белков с открытым исходным кодом для демократизации процесса разработки белков.
- Учёные обнаружили ключевой белок, регулирующий накопление жира в клетках
- Эксперт утверждает: Ripple — новый SWIFT? Вот что этому способствует