Как диатомовые водоросли отказались от фотосинтеза: заимствованный бактериальный ген позволяет им питаться водорослями

Некоторые виды диатомовых водорослей из рода Nitzschia отказались от фотосинтеза и теперь получают углерод напрямую из окружающей среды благодаря гену, позаимствованному у бактерий их предком. К такому выводу пришли исследователи под руководством Грегори Джедда из Temasek Life Sciences Laboratory (Сингапур) в исследовании, опубликованном в журнале PLOS Biology.

В отличие от большинства диатомей, которые генерируют углеродные соединения с помощью фотосинтеза, у некоторых представителей рода Nitzschia нет хлорофилла. Вместо этого они потребляют углеводы из морских водорослей и разлагающихся растительных остатков.

Чтобы понять механизм этого перехода, учёные секвенировали геном одного вида — Nitzschia sing1. Анализ показал, что у этой диатомеи есть ген фермента, расщепляющего альгинат — углеродный полимер в клеточных стенках бурых водорослей (к которым относятся, например, ламинарии).

Ключевое открытие: этот ген изначально принадлежал морской бактерии. Предок N. sing1 захватил его и встроил в собственный геном.

В дальнейшем исходный ген неоднократно дублировался, а его копии приобретали различные мутации, что привело к появлению новых функций. Эти новые функции позволили N. sing1 поглощать и расщеплять альгинат на углеродные "строительные блоки" для клетки, сделав фотосинтез ненужным.

Это также открыло для этой группы диатомей новую экологическую нишу — жизнь на морских водорослях в приливно-отливной зоне.

При этом, хотя N. sing1 и многие её родственники могут расщеплять альгинат, другие нефотосинтезирующие виды Nitzschia не обладают этой способностью. Это говорит о том, что у них, вероятно, есть иные стратегии получения углеродных соединений.

Исследователи предполагают, что секвенирование геномов большего числа видов Nitzschia из окружающей среды позволит лучше понять, как эти диатомеи получают углерод. Дальнейшая работа в этой области также поможет больше узнать о том, как один вид диверсифицируется в ряд новых видов и как углерод и другие питательные вещества перемещаются в прибрежных экосистемах.

"Эта работа не только определяет эволюционное происхождение сложной метаболической способности, но и раскрывает генетические механизмы, лежащие в основе инноваций, которые в конечном итоге позволили этим диатомеям занять новую экологическую нишу как облигатным гетеротрофам".