Многоклеточные цианобактерии переключают активность генов в зависимости от времени суток

Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) широко распространены в природе в различных формах, включая одноклеточные и нитчатые (образующие цепочки-филаменты). Хотя эти микроорганизмы сильно влияют на экосистемы, их поведение обычно изучали в лаборатории при постоянном освещении.

Учёные из Морской биологической лаборатории (MBL) показали, что активность нитчатых цианобактерий в естественной среде сильно зависит от цикла день-ночь. Исследование опубликовано в журнале mBio.

Анализ экспрессии генов у цианобактерии Nostoc punctiforme показал, что днём клетки сосредоточены на метаболизме, точно координируя фотосинтез и усвоение углерода для деления. Ночью же они переключаются на контроль репарации генома и активируют различные генетические элементы.

«Это эталонное исследование, показывающее, что лабораторные культуры в стабильных условиях могут не проявлять той же генетической динамики, что и в дикой природе», — говорит старший автор работы Блэр Пол.

Также были обнаружены гены, генерирующие разнообразие — ретроэлементы, вызывающие быстрые мутации в определённых участках генома. Они часто встречаются у многоклеточных цианобактерий и активны в течение всего суточного цикла. Неожиданно выяснилось, что мобильные генетические элементы (транспозоны), переносимые вирусами-бактериофагами, активны ночью.

Устойчивые многоклеточные формы

Многоклеточные цианобактерии широко распространены на суше и в морях, многие ассоциированы с растениями. В лаборатории N. punctiforme — модельный организм для изучения специализации клеток и адаптации к стрессу.

Хотя суточные ритмы одноклеточных цианобактерий изучены хорошо, о циркадных ритмах многоклеточных форм известно мало. Обычно в лаборатории их выращивают при постоянном свете для ускорения роста.

Изучение естественного поведения этих микроорганизмов важно, так как они — первичные продуценты, основа многих экосистем. При этом их родственники могут формировать вредоносные цветения воды, производящие токсины, включая мощные нейротоксины. Понимание динамики их генома поможет узнать, как они процветают в природе.

Геномы многоклеточных цианобактерий значительно больше (около 8 млн «букв»), чем у одноклеточных (около 3 млн). Некоторые гены, ассоциированные с циклом день-ночь в этом исследовании, уже были известны, другие — обнаружены впервые.

Несмотря на малые размеры, влияние цианобактерий на экосистемы может быть огромным, затрагивая химию и биологию крупных биомов, например, мирового океана. Их динамические генетические элементы могут также влиять на генетику соседних микроорганизмов.