Модель песочных часов в развитии сложной многоклеточности обнаружена у бурых водорослей

Исследователи из Института биологии Макса Планка (Германия) обнаружили у бурых водорослей консервативную модель развития, известную как модель песочных часов. Это свидетельствует о том, что данное явление может быть универсальной чертой сложных многоклеточных организмов.

Сложная многоклеточность независимо эволюционировала в различных эукариотических линиях, включая животных, растения, грибы и водоросли. Этот эволюционный скачок требует от организмов сложных процессов развития для координации дифференцировки новых специализированных тканей.

Согласно модели песочных часов эмбрионального развития, ранние и поздние стадии развития демонстрируют морфологическое и молекулярное разнообразие, в то время как средняя эмбриональная фаза остаётся высококонсервативной у разных видов. Именно в этой консервативной фазе закладывается основной план строения организма.

В исследовании "A transcriptomic hourglass in brown algae", опубликованном в Nature, команда проверила, существует ли эта модель, ранее наблюдавшаяся у животных, растений и грибов, у бурых водорослей. Эта группа независимо обрела многоклеточность около 450 миллионов лет назад.

Для анализа выбрали бурые водоросли из-за их независимого происхождения и большого разнообразия. Они доминируют во многих прибрежных регионах и представляют третью по морфологической сложности линию на Земле, сопоставимую с растениями по размеру клеток, типам тканей и сложности развития.

В исследование включили несколько видов бурых водорослей с разным уровнем сложности: Fucus serratus, Fucus distichus, Ectocarpus sp., а также виды ламинарий Laminaria digitata и Saccorhiza polyschides. С помощью РНК-секвенирования учёные изучили экспрессию генов на разных стадиях развития.

У более сложных водорослей, таких как Fucus serratus и Fucus distichus, в эмбриогенезе обнаружена чёткая картина песочных часов. Для неё характерны значительные изменения в экспрессии генов на ранних и поздних стадиях и высококонсервативная фаза в середине.

Для количественной оценки консервативности и дивергенции паттернов экспрессии генов использовали индекс возраста транскриптома, который оценивает эволюционный возраст генов, экспрессируемых во время развития. На ранних и поздних стадиях развития наблюдалось большее разнообразие в экспрессии генов. Эти стадии показывают более высокую транскриптомную дивергенцию с экспрессией более молодых генов.

В средней эмбриональной фазе бурые водоросли экспрессируют более эволюционно древние гены. Эта фаза оказалась высококонсервативной у разных видов.

Более простые по морфологии бурые водоросли, такие как Ectocarpus и гаметофиты Laminaria digitata и Saccorhiza polyschides, не демонстрируют этой часовой модели экспрессии генов. Их развитие представляет собой плавный переход от одноклеточной к многоклеточной стадии без чётких фаз, что ограничивает образование дифференцированных типов клеток.

Распространение модели песочных часов на бурые водоросли расширяет понимание основ развития и подтверждает фундаментальность этого процесса для формирования сложной многоклеточности у эукариот.