Крошечные водоросли проливают свет на динамическую природу фотосинтеза

Многие важнейшие фотосинтезирующие эукариоты, такие как растения, получили свои хлоропласты опосредованно от других организмов через эндосимбиоз. В некоторых случаях это привело к появлению водорослей с множественными, различными геномами, часть из которых находится в остаточных органеллах — нуклеоморфах. Чтобы понять, почему нуклеоморфы сохраняются после эндосимбиоза, международная команда с участием исследователей из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) секвенировала и проанализировала геномы двух крошечных водорослей. Результаты были опубликованы онлайн 29 ноября 2012 года в журнале Nature.

Хлоропласты изначально произошли от фотосинтезирующих бактерий путем первичного эндосимбиоза. Впоследствии хлоропласты красных и зеленых водорослей попали внутрь других, ранее нефотосинтезирующих эукариот через вторичный эндосимбиоз. Обычно ядро поглощенной клетки водоросли исчезает, но в некоторых случаях оно сохраняется как рудиментарная органелла — нуклеоморф. Такие организмы имеют четыре различных генома.

Команда из 73 исследователей из 27 институтов под руководством Джона Арчибальда из Университета Далхаузи (Канада) секвенировала и проанализировала геномы и транскриптомы двух водорослей: Bigelowellia natans (95 млн пар оснований) и Guillardia theta (87 млн пар оснований). Эти первые секвенированные представители хлорарахниофитов и криптофитов были названы «живыми ископаемыми» из-за сохранившегося нуклеоморфа.

Ключевые выводы:

• Причина сохранения нуклеоморфа: Нуклеоморфы сохранились, потому что утратили способность передавать свою ДНК в ядро клетки-хозяина через процесс эндосимбиотического переноса генов. Это привело к генетическому и биохимическому «мозаицизму» в этих организмах.
• Уникальность геномов: Около 50% генов в обоих геномах являются «уникальными» и не имеют очевидных аналогов у других видов.
• Неожиданная сложность: У B. natans обнаружен альтернативный сплайсинг в масштабах, сопоставимых с корой головного мозга человека, что беспрецедентно для одноклеточного организма.
• Практическая ценность: Оба организма обладают сложным набором ферментов, вовлеченных в метаболизм углерода, что делает их полезным ресурсом для исследований в области фотосинтеза, внутриклеточного транспорта и разработки биотоплива.

Как отметил профессор Крис Хау из Кембриджского университета, работа дает важное понимание фундаментальных процессов клеточного симбиоза и перестройки геномов, которые создали одни из самых важных организмов на планете.