Происхождение световых сенсоров водорослей проследили до общего предка миллиард лет назад

Исследователи определили происхождение группы белковых световых сенсоров у наземных растений и ряда родственных фитопланктонов, секвенируя и сравнивая РНК в их геномах.

Морской фитопланктон отвечает примерно за половину глобального диоксида углерода, фиксируемого ежегодно. Исследование даёт представление о том, как основные первичные продуценты (организмы, фиксирующие CO₂ в биомассу посредством фотосинтеза), такие как планктон, используют световые сигналы для реакции на окружающую среду.

Фитопланктон играет ключевую роль в глобальных циклах углерода и азота, а также является потенциальным сырьём для биотоплива. Исследователи из Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) и их коллабораторы являются мировыми лидерами в проектах по секвенированию и анализу геномов этих организмов.

Фитохромы — это белковые сенсоры, обнаруженные в растениях, грибах и бактериях, которые регулируют события жизненного цикла организма на основе изменений длин световых волн, получаемых от солнца. У растений фитохромы играют ключевую роль в развитии, а также в восприятии и избегании тени. Однако их происхождение плохо изучено. Многие учёные полагали, что фитохромы растений были захвачены у цианобактерий посредством переноса генов и в значительной степени отсутствуют у родственных водорослей.

Чтобы узнать больше о происхождении фитохромов, команда из Исследовательского института аквариума Монтерей-Бей (MBARI) и ряда других учреждений, включая исследователей из DOE JGI, секвенировала и проанализировала несколько наборов всех молекул РНК в геноме (транскриптомов) различных видов фитопланктона. Они обнаружили, что фитохромы присутствуют у празинофитов и глаукофитов. Среди изученных транскриптомов был один от крошечного морского фитопланктона Micromonas pusilla, который был в центре предыдущего сотрудничества исследователя MBARI Александры Ворден и DOE JGI, опубликованного в Science в 2009 году. Новое исследование было опубликовано онлайн 29 сентября 2014 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Анализ транскриптомов фитопланктона показал, что фитохромы появились у последнего общего предка «во время, до или вскоре после» расхождения основных линий архепластид. «Эти результаты указывают на то, что последний общий предок архепластид (вероятно, нефотосинтезирующая эукариотическая клетка, которая приобрела фотосинтез, поглотив цианобактерию) уже имел фитохром в момент поглощения, поскольку фитохромы современных растений имеют отличное происхождение от фитохромов ныне существующих цианобактерий», — добавила Ворден. Они также обнаружили, что фитохром Micromonas настроен на морскую среду — он обнаруживает длины световых волн, более доступные в воде, чем те, которые используют наземные растения. Это первое исследование, показывающее широкое распространение и эволюционные взаимосвязи этих сигнальных белков у водорослей, а также их реакцию на суточный световой цикл и перемещение белков в ядро, где они могут взаимодействовать с множеством регуляторных компонентов. Поскольку фитохромы являются главными регуляторами у наземных растений, они, вероятно, играют критическую роль в росте водорослей и производстве биомассы. Дополнительные исследования разнообразия и регуляторных ролей фитохромов могут раскрыть способы использования большего спектра света для генерации биоэнергетических соединений.