Фитнес фотосинтезирующих организмов зависит от целостности их эндогенных часов

Жизнь на Земле подчиняется 24-часовым циклам. Организмы адаптируются к смене дня и ночи. Для настройки (энтреймента) часов необходимы внешние факторы, такие как свет и температура. Многие метаболические процессы контролируются эндогенными часами. Учёные из Йенского университета изучили молекулярные ритмы эндогенных часов в «зелёной линии». В публикации в журнале Plant Physiology команда под руководством профессора Марии Миттаг представила обзор их генетической основы.

«Зелёная линия» включает зелёные водоросли, мхи, папоротники, голосеменные и цветковые растения. Эти организмы производят значительную часть кислорода на Земле. Фотосинтез у этих организмов — преобразование CO₂ и воды в глюкозу и кислород — зависит от света, поэтому точное время этих процессов критически важно. Растения готовятся к световому периоду ещё до восхода солнца, что позволяет наиболее эффективно использовать свет для оптимизации фотосинтеза и других метаболических путей. В результате они лучше растут и выживают в конкурентной борьбе.

«Фитнес фотосинтезирующих организмов зависит от целостности их эндогенных часов», — говорит Мария Миттаг. Её команда исследовала, как эндогенные часы развивались в ходе эволюции организмов зелёной линии. Для этого учёные изучили часовые гены различных модельных организмов: от одноклеточной зелёной водоросли Chlamydomonas reinhardtii, через печёночный мох Marchantia polymorpha, до высших растений, таких как резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana).

Криптохромы «консервативны» в эволюции

Исследователи обнаружили, что некоторые гены, участвующие в циркадных ритмах, встречаются у всех изученных организмов зелёной линии, в то время как другие часовые гены значительно различаются. Среди генов эндогенных часов, «консервированных» на протяжении эволюции, — криптохромы. Это рецепторные молекулы, с помощью которых наземные растения воспринимают синий свет. «Криптохромы важны для настройки и регуляции циркадных часов; они играют эту роль не только у наземных растений и водорослей, но также у грибов, насекомых и млекопитающих», — говорит доктор Ян Петерсен, первый автор обзора.

Команда Марии Миттаг изучала криптохромы в модельном организме Chlamydomonas reinhardtii. Его геном кодирует четыре разных криптохрома. В то время как два из них участвуют в работе циркадных часов, функция двух других была неизвестна. Чтобы проанализировать роль одного из этих криптохромов, исследователи сравнили клетки дикого типа водорослей с мутантами, у которых ген этого рецептора был «нокаутирован». «Мы смогли установить, что мутантные водоросли растут значительно медленнее, чем клетки дикого типа», — говорит аспирантка Анхела Рреди.

Новоизученный криптохром влияет на клеточные структуры, ответственные за фотосинтез

«Однако мы были удивлены, что мутантные водоросли были зеленее, чем водоросли дикого типа», — отмечает Рреди. Большее количество зелёных пигментов должно было бы приводить к лучшему фотосинтезу и, следовательно, усиленному росту. Объяснение было найдено. С помощью электронной микроскопии учёные увидели, что клеточные мембраны, в которых происходит фотосинтез, упакованы более плотно без криптохрома, чем в клетках дикого типа. «С одной стороны, это делает водоросли визуально темнее и зеленее, — объясняет доктор Петерсен. — С другой стороны, это заставляет клетки сильнее затенять друг друга, поэтому до внутренних мембран просто доходит меньше света, что негативно сказывается на росте водорослей».

В настоящее время неясно, как именно изученный криптохром влияет на эти клеточные структуры. Исследовательская группа теперь планирует выяснить, играет ли он также роль в работе циркадных часов.