Микроскопические водоросли демонстрируют впечатляющие механизмы адаптации
Исследователи из Йенского университета и институтов Общества Лейбница в Йене представили новые данные об адаптивности микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii. Междисциплинарное исследование, в основном проведённое учёными из кластера передового опыта «Баланс микровселенной», показывает, как крошечная зелёная водоросль может адаптировать свою форму и метаболизм в естественных условиях без изменения генома.
Исследовательская группа изучила, как зелёная микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii — модельный организм в биологии — претерпевает своего рода «метаморфоз» в богатой ацетатом, пространственно структурированной среде, смоделированной по образцу естественных почв рисовых полей.
В естественной среде водоросль часто встречается во влажных почвах, например, рисовых полей, которые богаты ацетатом и где она сосуществует с другими микроорганизмами. Клетки водоросли в норме имеют размер около 10 микрометров, несут два жгутика и имеют примитивный глазок — так называемое «глазное пятно», отвечающее за светоуправляемые движения.
Исследователи обнаружили, что крошечная водоросль значительно адаптируется в смоделированных условиях: размер клетки уменьшается, жгутики укорачиваются, объём глазного пятна увеличивается, а клеточная стенка укрепляется. Эти изменения облегчают выживание в сложной, частично анаэробной среде, характеризующейся присутствием микроорганизмов. Кроме того, водоросли регулируют количество своих светочувствительных рецепторов и производят больше углеводов в форме крахмала.
Команда опубликовала исследование в журнале New Phytologist.
Моделирование естественных условий рисовых полей облегчает понимание взаимодействий между водорослями и их средой. Адаптация к этим средам необходима, поскольку водоросли конкурируют с другими микроорганизмами и часто подвергаются стрессовым условиям, возникающим в этих почвах.
«Наше исследование показывает, насколько важно изучать микроорганизмы не только в лабораторных условиях, но и в средах, напоминающих их естественную среду обитания», — подчёркивает Мария Миттаг, профессор общей ботаники и автор-корреспондент статьи. — «Только в таких условиях проявляются глубокие механизмы адаптации, которые не наблюдаются в лаборатории».
Совместно с рабочей группой профессора Пьера Штальфорта, профессора биоорганической химии и палеобиотехнологии, исследователи из обеих профессорских кафедр создали для водорослей пространственно структурированную 3D-среду.
Доктора Патрик Тен и Мартин Вестерманн зафиксировали изменённую форму водорослей на изображениях. Экспертиза рабочих групп проф. Миттаг в области биологии водорослей и проф. Юргена Поппа в области рамановского спектроскопического анализа позволила визуализировать изменения в метаболизме крахмала на субклеточном уровне.
«Сочетание инновационных оптических технологий и междисциплинарных подходов позволило нам получить всестороннее представление о биологических адаптациях Chlamydomonas reinhardtii», — поясняет проф. Попп, объясняя необходимость междисциплинарного сотрудничества.
Для авторов стало неожиданностью, что простое изменение условий культивирования привело к повышению или понижению регуляции определённых генов или белков и, в конечном итоге, метаболических путей, без необходимости изменения генома. Эти открытия могут иметь долгосрочное применение в биотехнологии, например, в производстве устойчивого биотоплива.