Генетическое исследование макроводорослей раскрывает механизмы возникновения многоклеточности

Глубокое изучение генетики макроводорослей («морских водорослей») выявило генетические основы, позволившие им эволюционировать в многоклеточные организмы. Три линии макроводорослей независимо и в разные периоды времени приобрели гены, отвечающие за адгезию клеток, формирование внеклеточного матрикса и клеточную дифференцировку, сообщают исследователи в журнале Molecular Plant.

Удивительно, но многие из этих генов, обеспечивающих многоклеточность, имеют вирусное происхождение. Это исследование, увеличившее общее количество секвенированных геномов макроводорослей с 14 до 124, стало первым, где их эволюция изучалась через призму геномики.

Важность геномного ресурса

«Это большой геномный ресурс, который откроет двери для многих новых исследований», — говорит соавтор-алаголог Александра Мистику. Макроводоросли играют ключевую роль в глобальном климате и экосистемах, но до сих пор о их геномах было мало информации.

Независимая эволюция многоклеточности

Макроводоросли — сложные многоклеточные организмы с органами и тканями, в отличие от микроскопических одноклеточных микроводорослей. Три основные группы — красные (Rhodophyta), зелёные (Chlorophyta) и бурые (Ochrophyta) — независимо эволюционировали в многоклеточные в разное время: Rhodophyta и Chlorophyta — более миллиарда лет назад, а Ochrophyta — лишь в последние 200 000 лет.

Методология и ключевые находки

Учёные секвенировали 110 новых геномов от 105 видов макроводорослей из разных сред обитания. Были обнаружены метаболические пути, отличающие макроводоросли от микроводорослей, часть которых может объяснять успех инвазивных видов. Многие из этих метаболических генов, по-видимому, были получены от вирусов, инфицирующих водоросли, и особенно распространены у более молодых бурых водорослей.

На пути к многоклеточности макроводоросли приобрели множество новых генов, отсутствующих у микроводорослей. Для всех трёх линий ключевыми приобретениями стали гены, связанные с:

• Адгезией клеток (способность клеток сцепляться).
• Клеточной дифференцировкой (специализация клеток).
• Межклеточной коммуникацией и транспортом.

«Многие бурые водоросли имеют гены, связанные с многоклеточными функциями, с сигнатурными мотивами, которые иначе встречаются только у инфицирующих их вирусов», — отмечает соавтор-биоинформатик Дэвид Нельсон. Это указывает, что горизонтальный перенос генов от вирусов мог быть критическим фактором эволюции многоклеточности у бурых водорослей.

Различия между линиями

Исследователи также выявили отличительные черты между линиями:

• Наибольшее генетическое разнообразие наблюдается у красных водорослей (Rhodophyta), которые эволюционировали первыми и имели больше времени для дивергенции.
• Зелёные водоросли (Chlorophyta) имеют много общих геномных черт с наземными растениями, что предполагает наличие этих генов у их последнего общего предка.

Перспективы исследования

«Мы ни в коем случае не исчерпали всю информацию в этих геномах», — говорит старший автор-системный биолог Курош Салехи-Аштиани. Уже сейчас команда изучает адаптации макроводорослей к среде обитания и планирует секвенировать ещё больше геномов для детального анализа обнаруженных особенностей.