Исследование показывает, как кораллы и актинии вступают в симбиоз с водорослями и обмениваются с ними питательными веществами

В природе не всегда действует принцип «ешь или будь съеден». Разным видам может быть выгодно объединяться и объединять свои возможности. Книдарии, такие как кораллы и актинии, уже 250 миллионов лет назад вступили в подобное биологическое совместное предприятие с водорослями из группы динофлагеллят.

Благодаря этим симбиозам оба партнера могут процветать в бедных питательными веществами водах, где по отдельности у них не было бы шансов на выживание. Кораллы могут, таким образом, закладывать структурную основу для самых биоразнообразных морских экосистем. Они защищают своих симбионтов-динофлагеллят от хищников и снабжают их неорганическими питательными веществами, такими как азот и фосфор. В свою очередь, водоросли обеспечивают коралл продуктами своего фотосинтеза: углеводами, белками и жирами.

Однако этот счастливый союз может работать только при условии точного регулирования «бартерной» системы. И хотя успешный обмен питательными веществами критически важен для здоровья кораллов и, следовательно, для всей экосистемы кораллового рифа, молекулярные механизмы, регулирующие коммуникацию в этом партнерстве, все еще в значительной степени неизвестны. Новое исследование в Current Biology показывает, что сигнальный путь, существующий с давних эволюционных времен, играет решающую роль в «торговле» между водорослями и кораллом.

Съедены, но не переварены

«Большинству видов кораллов необходимо поглощать новых симбионтов-динофлагеллят из окружающей среды в каждом новом поколении», — объясняет биолог LMU, профессор Анника Гузе, ведущий автор нового исследования. Симбионты изначально поглощаются как пища в пищеварительную полость коралла, а оттуда — в клетки хозяина. Во время этого процесса вокруг водорослей формируется своего рода пузырь, известный как симбиосома.

Симбиосома химически похожа на лизосому — другую клеточную органеллу, которая играет ключевую роль в пищеварении. «Отличие от лизосомы в том, что в симбиосоме динофлагелляты остаются неповрежденными», — отмечает Гузе. По сути, хозяин съедает своих симбионтов, не переваривая их. «Мы пока не знаем точно, как водоросли переживают этот процесс».

Внутри симбиосомы водоросли продолжают фотосинтезировать и производить питательные вещества, которыми делятся с хозяином. Все питательные вещества и процессы коммуникации между партнерами должны, следовательно, проникать через оболочку симбиосомы, состоящую из мембран как хозяина, так и симбионта.

«Клеточный налог» между симбионтом и хозяином

Для всего этого симбиотические партнеры, по-видимому, используют сигнальный путь, известный как мишень рапамицина (mTOR), который регулирует клеточный метаболизм у всех эукариот в зависимости от факторов окружающей среды, таких как доступность питательных веществ. Уже доказано для других видов, что mTOR также используется для пищевых симбиозов: «Различные насекомые-хозяева используют передачу сигналов mTOR для своих бактериальных эндосимбионтов», — говорит Гузе. «Доказательства того же пути были также найдены для бобовых и их грибковых партнеров».

Исследователи поэтому предположили, что mTOR может быть вовлечен и в партнерство между книдариями и динофлагеллятами. «Мы смогли доказать, что эндосимбиотические кораллы используют путь mTOR для включения питательных веществ от симбионтов в метаболизм хозяина». Все жизненно важные компоненты mTOR существуют как у актиний, так и у кораллов.

Анника Гузе и ее коллеги исследовали, в какой степени этот сигнальный путь активируется присутствием симбиотических водорослей из семейства Symbiodiniaceae на разных стадиях развития у актиний рода Aiptasia. Они также проверили, как ингибирование передачи сигналов mTOR влияет на симбиотическую функцию.

«Наши результаты показывают, что передача сигналов mTOR активируется симбиозом, и что нарушения в сигнальном пути нарушают симбиоз как на клеточном, так и на организменном уровне», — объясняет Гузе. «С помощью специфического антитела мы также смогли показать, что mTOR локализован на мембранах симбиосомы».

Перепрофилирование древнего сигнального пути

Изучив свои выводы, биологи пришли к заключению, что mTOR имеет огромное значение для включения питательных веществ в метаболизм хозяина и для стабильности симбиоза. Учитывая, что большая часть энергии, потребляемой симбиотическими книдариями, поступает от их симбиотических партнеров, логично предположить, что высококонсервативный путь mTOR в конечном итоге был использован для эффективного восприятия питательных веществ в рамках симбиоза.

Соответственно, Гузе и ее команда предлагают модель, в которой питательные вещества, выделяемые водорослями, активируют передачу сигналов mTOR в симбиосоме и в ткани хозяина — аналогично восприятию питательных веществ из внешних источников.

Активация передачи сигналов mTOR, вероятно, также была важным шагом в эволюции этого симбиоза, позволив водорослям выживать внутри клеток хозяина. «Активность mTOR контролирует так называемый аутофагию — очень древнюю иммунную реакцию в эволюционном масштабе, которая запускается, когда патогены проникают в хозяина, и приводит к уничтожению захватчика», — объясняет биолог.

По ее мнению, именно поэтому некоторые патогены — а также бактериальные эндосимбионты некоторых насекомых — разработали механизмы, позволяющие обойти аутофагическое уничтожение. Ранние симбионты могли быть поглощены книдарией и абсорбированы в ее клетки. Однако вместо того, чтобы быть изгнанными или уничтоженными, они были сохранены, поскольку снабжали клетку-хозяина питательными веществами, активируя сигналы mTOR и тем самым останавливая процесс аутофагии.

«Мы только сейчас начинаем понимать, как работает сложное взаимодействие между хозяином и водорослями и как оно смогло развиться за миллион лет коэволюции», — говорит Гузе.