Новое исследование проливает свет на эволюцию фотосинтеза

Исследование под руководством учёных из Университета Рутгерса проливает новый свет на эволюцию фотосинтеза у растений и водорослей, что может помочь повысить урожайность сельскохозяйственных культур.

Статья опубликована в журнале New Phytologist.

Учёные проанализировали исследования фотосинтезирующей амёбы Paulinella, которая служит моделью для изучения фундаментального вопроса об эволюции эукариот: почему произошло единственное происхождение водорослей и растений? То есть, почему первичный эндосимбиоз пластид, приводящий к фотосинтезу, не возникал многократно в древе жизни?

Фотосинтез — это процесс, при котором растения и другие организмы используют солнечный свет для синтеза питательных веществ из углекислого газа и воды, выделяя кислород в качестве побочного продукта.

Эндосимбиоз — это отношения между двумя организмами, при которых одна клетка обитает внутри другой. Эта взаимосвязь, будучи стабильной и полезной для клетки-«хозяина», может привести к масштабным генетическим инновациям. Несмотря на её критическую эволюционную роль, знания о том, как изначально устанавливается эндосимбиоз, ограничены.

Первичный эндосимбиоз пластид, который развился около 1,5 миллиарда лет назад, — это процесс, при котором эукариот (организм, клетки которого имеют мембраносвязанное ядро и крошечные органеллы, например, растения и водоросли) поглощает прокариота (организм без мембраносвязанного ядра, например, бактерию). Пластида — это мембраносвязанная органелла внутри клеток растений и водорослей.

«Оказывается, фотосинтез сопряжён с огромными рисками, потому что он производит вредные химические вещества и тепло в качестве побочных продуктов, которые могут повредить клетку-хозяина», — сказал старший автор Дебашиш Бхаттачарья, заслуженный профессор кафедры биохимии и микробиологии Университета Рутгерса-Нью-Брансуик. «Поэтому создание новой органеллы — это чрезвычайно сложный процесс, что делает его чрезвычайно редким в эволюции. Paulinella, которая является единственным известным случаем независимого первичного эндосимбиоза пластид помимо водорослей и растений, даёт много ключей к пониманию этого процесса, что помогает объяснить, почему он так редок».

Возникновение фотосинтеза у водорослей и растений изменило нашу планету, обеспечив основной источник кислорода и поддержав многие экосистемы благодаря первичной продукции фиксированного углерода (сахаров и липидов). Понимание того, как произошёл этот критически важный процесс, поможет нам потенциально воссоздать его в синтетических системах, а также повысить урожайность сельскохозяйственных культур.

«Поскольку Paulinella представляет собой независимое происхождение фотосинтеза, она даёт ключевые подсказки о том, как происходит этот процесс и какие затраты он налагает на клетку-хозяина», — сказал ведущий автор Тимоти Г. Стивенс, постдокторант в Университете Рутгерса. «Геном Paulinella содержит множество независимо эволюционировавших генов, участвующих в фотосинтезе и борьбе со связанными с ним стрессами. Их потенциально можно использовать в генной инженерии водорослей и растений, чтобы улучшить их способность противостоять таким стрессам, как высокий уровень освещённости или солевой стресс».