Как рост гигантской одноклеточной водоросли связан с суточными ритмами

Caulerpa — это тип морских водорослей, состоящих из одной протяженной клетки, хотя каждое растение может достигать метра в длину. Несмотря на наличие множества отдельных ядер, у Caulerpa нет клеточных мембран, которые обычно разделяют растение на множество отдельных клеток. Это создает свободную среду цитоплазматической «жижи». Это ставит перед биологами развития интересный вопрос: как она выполняет обычные функции растений, не будучи многоклеточной?

Большинство растений растут благодаря специализации их живых клеток, например, на листовые или стеблевые. Ключом к такой дифференцировке считается способность клеток общаться друг с другом, координируя активность для «нарушения симметрии» и развития разных частей организма.

Но как тогда растет одноклеточное растение вроде Caulerpa без специализированных клеток, которые направляли бы это нарушение симметрии?

«Основная парадигма клеточной биологии заключается в том, что внутренняя среда клетки диктуется её окружением и тем, что происходит в ядре. Но в Caulerpa ничего не разделяет ядра друг от друга», — говорит постдокторант Калтеха Элдад Афик.

Исследователи выдвинули гипотезу, что растение испускает волны хлоропластов, синхронизированные с циклом дня и ночи.

Новое исследование из лаборатории Эллиота Мейеровица показывает, что Caulerpa поддерживает своего рода внутренние часы, управляемые суточным циклом света.

Свет может стимулировать Caulerpa испускать волны хлоропластов по всему телу для проведения фотосинтеза, производства энергии и роста. Водоросль может адаптироваться к разной продолжительности дня и ночи (например, 12 часов дня и 12 ночи), хотя молекулярные механизмы этого процесса пока неясны.

Исследование «Макроскопические волны, биологические часы и морфогенез, управляемые светом у гигантской одноклеточной зеленой водоросли» опубликовано в журнале Nature Communications.

Ученые предполагают, что хлоропласты осуществляют фотосинтез на свету, преобразуя фотоны в энергию. В темноте растение дышит, потребляя энергию, запасенную при фотосинтезе. Эти два отдельных состояния могут создавать две различные среды, которые действуют как «нарушители симметрии».

Команда обнаружила, что разные световые условия приводят к разной морфологии растения. Caulerpa, выращенные в цикле 12 часов яркого света и 12 часов темноты, имеют меньше и длиннее листьев, чем те, что росли при постоянном свете. Цикличность дня и ночи, по-видимому, важна для сигнала растению, когда расти, а когда «отдыхать».

«В будущей работе мы планируем изучить, как волны хлоропластов связаны с метаболизмом, синхронизацией между разными частями растения и теми формами, которые они в итоге принимают», — говорит Афик.