Древнее семейство генов защищает водоросли от соли и холода в антарктическом озере

Два вида одноклеточных зелёных водорослей Chlamydomonas из Антарктиды, UWO241 и ICE-MDV, производят высокие уровни глицерина для защиты от осмотической потери воды, а возможно, и от повреждения при замерзании. В настоящее время известно лишь об одном другом организме — арктической рыбе, — который использует глицерин для обеих целей.

Ключевые адаптации:

  • Водоросли были собраны с глубин 13–17 м в озере Бонни, постоянно покрытом льдом озере в Сухих долинах Мак-Мердо (Антарктида). Этот регион характеризуется крутым градиентом солёности.
  • Ранее было показано, что оба вида адаптированы к экстремальным условиям: фотосинтетический аппарат приспособлен к холоду, засолению и низкой освещённости, присутствуют новые белки, более текучие клеточные мембраны и белки, связывающие лёд.

Генетическая основа синтеза глицерина:

  • UWO241 и ICE-MDV несут три и пять копий соответственно недавно открытого древнего семейства генов, кодирующих ферменты для синтеза глицерина.
  • В лаборатории UWO241 увеличивает внутриклеточную концентрацию глицерина более чем в 4 раза при росте солёности среды с 400 до 1300 мМ NaCl (примерно от 0.8 до 2.5 солёности морской воды).
  • Параллельно возрастает транскрипция ДНК в РНК одной из копий гена, что указывает на его ключевую роль в синтезе.

Эволюция и структура фермента:

  • Филогенетический анализ показывает, что это семейство генов древнее, возможно, возникло более миллиарда лет назад. Множественные копии у видов — результат недавних дупликаций генов.
  • Белок содержит три области: сигнал для нацеливания в хлоропласт, домен для превращения дигидроксиацетонфосфата в глицерин-3-фосфат и домен для превращения этого промежуточного продукта в глицерин.
  • Вероятно, фермент возник путём слияния двух предковых генов, кодирующих фосфосеринфосфатазу и NAD⁺-зависимую глицерин-3-фосфатдегидрогеназу, у древнего предка зелёных водорослей.

Значение и перспективы:

  • Глицерин — основной, но не единственный осмопротектор у этих водорослей. Роль также могут играть сахара и аминокислоты.
  • Изучение выживания микроорганизмов в экстремальных условиях влияет на представления о возможности жизни на других телах Солнечной системы, где, вероятно, существуют холодные солёные водоёмы и океаны.

Исследование опубликовано в открытом журнале Frontiers in Plant Science.