Цикада: два генома функционируют как один

До недавнего открытия лаборатории Университета Монтаны считалось, что цикады находятся в симбиотических отношениях с двумя важными бактериями, живущими внутри клеток их тела. Поскольку насекомое питается исключительно растительным соком, оно полагается на эти бактерии для производства необходимых питательных веществ.

Взамен две бактерии, Hodgkinia и Sulcia, живут внутри цикады. Все три участника делят между собой питательные роли, и каждый член симбиоза полностью зависит от других для выживания.

Однако, когда микробиолог Джон Маккатчон и его коллеги глубже изучили последовательность генома бактерий, они обнаружили не двух, а три бактериальных симбионта. Sulcia была на месте, но они нашли два разных вида Hodgkinia. То, что ранее считалось трёхсторонним симбиозом, оказалось четырёхсторонним.

Их работа была опубликована 28 августа в престижном научном журнале Cell в статье "Видообразование у бактериального эндосимбионта приводит к появлению двух геномов с функциональностью одного".

Исследователи обнаружили, что Hodgkinia незаметно усложнилась в результате события видообразования, при котором исходная линия разделилась, образовав два отдельных, но взаимозависимых вида Hodgkinia.

"Мы просто не ожидали этого", — сказал Маккатчон. — "Я думал, что мой студент ошибся, но он доказал, что я не прав".

Чтобы идентифицировать две отдельные версии бактерий, действующих как одна, потребовался острый глаз.

"Если ген был сломан в одной версии Hodgkinia, он был целым и функциональным в другой, и наоборот. Таким образом, функциональные гены в каждом, работая вместе, функционируют как один", — объяснил Маккатчон.

Поскольку они полноценны только при работе в команде, они зависят друг от друга, так же как Sulcia и, в конечном итоге, цикада зависят от их вклада в симбиотическую экосистему.

"Это облигатный симбиоз — все организмы внутри нуждаются друг в друге", — сказал Маккатчон. — "Мы показали, что то, что когда-то было трёхсторонним симбиозом, теперь является четырёхсторонним".

Это неожиданное открытие заинтересовало Маккатчона, который предполагает, что это эволюционное развитие является результатом "неаккуратности и случая". Однако эта случайная эволюция может ответить на некоторые вопросы о том, как другие организмы эволюционировали и становились более сложными со временем.

Развитие Hodgkinia близко параллельно пути развития некоторых органелл. Органеллы для клеток — то же, что орган для человеческого тела. Митохондрии наших собственных клеток — это органеллы, и, как и Hodgkinia, произошли от симбиотических бактерий.

В случае с цикадой событие видообразования Hodgkinia добавило нового члена в симбиотическую команду, но не добавило никакой новой функциональности симбиозу. Маккатчон пишет в статье, что "этот процесс параллелен тому, что наблюдается в некоторых органеллах, где массивное расширение генома приводит к незначительному, если вообще заметному, увеличению функции".

Понимание развития органелл фундаментально для понимания развития жизни. Поскольку органеллы возникли так давно, невозможно проследить конкретные события, которые позволили органелле стать тем, чем она является сегодня. Изучая эволюцию Hodgkinia, исследователи надеются получить представление о богатом прошлом органелл, чья история с тех пор была стёрта.