Как эволюционировала высшая жизнь? Учёные определили полную последовательность генома бурой водоросли
Международная исследовательская группа совершила большой шаг к пониманию эволюции двух ключевых предпосылок для высшей жизни на Земле — многоклеточности и фотосинтеза, впервые в мире полностью секвенировав геном бурых водорослей. Как сообщил журнал Nature, около 100 учёных и техников в ходе пятилетнего проекта успешно расшифровали всю наследственную информацию (геном) Ectocarpus siliculosus — бурых водорослей размером до 20 см, обитающих вдоль побережий в умеренных широтах. Они проанализировали примерно 214 миллионов пар оснований и отнесли их к примерно 16 000 генов.
Биологи из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера участвовали в этом глобальном проекте с фазы планирования в 2005 году.
«Как эволюционные учёные, мы особенно интересуемся, почему мир развился так, как мы его знаем сегодня», — говорит Клаус Валентин. За историю Земли сложная многоклеточная жизнь эволюционировала из одноклеточных организмов по пяти независимым путям: животные, растения, грибы, красные и бурые водоросли. Цель учёных — расшифровать полный геном представителя каждой из этих линий и найти сравнимую генетическую информацию. «Эта цель теперь достигнута для генома бурых водорослей. Расшифровка генома красных водорослей уже завершена, и мы сейчас оцениваем данные», — говорит Валентин.
В бурой водоросли обнаружено много генов для так называемых киназ, транспортеров и транскрипционных факторов. Такие гены также часто встречаются у наземных растений, и учёные предполагают, что они играют ключевую роль в происхождении многоклеточных организмов.
Секвенирование генома бурых водорослей — также веха в реконструкции эволюции фотосинтеза. Кислородный фотосинтез был «изобретён» около 3,8 миллиардов лет назад цианобактериями. Зелёные и красные водоросли развили эту способность после того, как их предки поглотили живые цианобактерии, «захватив» фотосинтез. Этот симбиоз дал огромные конкурентные преимущества в первобытном океане.
Ранее считалось, что бурые водоросли возникли от слияния бесцветных нефотосинтезирующих клеток с одноклеточной красной водорослью. Однако исследования показали, что бурые водоросли произошли от слияния зелёной водоросли с красной, что опровергло распространённую теорию. «Интересно, что в бурой водоросли мы обнаружили высокую долю генов, характерных для зелёных водорослей, включая упомянутые киназы и транспортеры, типичные для многоклеточных наземных растений», — отмечает Валентин. Степень, в которой удалось проследить общее происхождение многоклеточной жизни, ещё предстоит определить.
С экологической точки зрения бурые водоросли — также увлекательный объект изучения. На скалистых берегах полярных и умеренных широт их роль в экосистеме аналогична роли деревьев на суше. Некоторые виды достигают длины 160 метров. Эти «подводные леса» — важная среда обитания для морских животных. В районах с сильными приливами они часто оказываются на суше на несколько часов, демонстрируя невероятную устойчивость к стрессу.
«В контексте изменения климата нас заинтересовало, как бурые водоросли адаптировались к УФ-излучению и повышению температур. Как они приспосабливаются к меняющимся условиям жизни — один из аспектов исследований океанских лесов в нашем институте», — говорит Клаус Валентин. «Кроме того, бурые водоросли эволюционно намного старше наземных растений. У них множество метаболических свойств, которые почти не изучены. Лучшее понимание свойств, закодированных в генах, может стать основой для разработки новых продуктов и технологий».