Генетические методы позволяют использовать ископаемые липиды как биомаркеры для кислород-продуцирующих древних бактерий

Цианобактерии — ключевой вид в истории Земли, так как они первыми начали производить атмосферный кислород. Ископаемые липиды, называемые 2-метилхопанами, долгое время считались важным биомаркером цианобактерий в отложениях возрастом в сотни миллионов лет. Однако это было поставлено под сомнение, когда выяснилось, что не только цианобактерии, но и альфа-протеобактерии генетически способны производить эти липиды.

Международная исследовательская группа под руководством Йосуке Хошино из GFZ и Бенджамина Неттерсхайма из MARUM изучила филогенетическое разнообразие и распределение генов (включая HpnP), ответственных за синтез липидов-предшественников 2-метилхопанов. Исследователи выяснили, когда эти гены были приобретены определенными группами организмов.

Они показали, что HpnP, вероятно, уже присутствовал у последнего общего предка цианобактерий более двух миллиардов лет назад, в то время как этот ген появился у альфа-протеобактерий только около 750 миллионов лет назад. Следовательно, для периодов ранее этого времени 2-метилхопаны могут служить четким биомаркером для кислород-продуцирующих цианобактерий.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Ecology & Evolution, показывает, как генетика во взаимодействии с седиментологией, палеобиологией и геохимией может улучшить диагностическую ценность биомаркеров и уточнить реконструкцию древних экосистем.

Новый подход: Комплексный генетический анализ и анализ осадков высокой чистоты

Команда систематически исследовала, какие организмы, кроме цианобактерий, обладают генами (сокращенно SC и HpnP), необходимыми для производства 2-метилхопаноидов, и когда они приобрели эти гены в ходе эволюции. Это позволило показать, что ископаемый липид 2-метилхопан по-прежнему может быть четким биомаркером существования цианобактерий для периодов старше 750 миллионов лет.

Кроме того, исследователи создали комплексную запись производства 2-метилхопана в течение истории Земли, объединив молекулярные данные с новыми анализами осадков, проведенными в условиях высокой чистоты.

Методология

  1. Вычислительное исследование для генетического анализа: Поиск в общедоступных базах данных организмов с генами SC и HpnP, построение филогенетических деревьев для определения путей передачи генов (вертикальная или горизонтальная) и использование метода "молекулярных часов" для оценки времени событий.
  2. Новый тип ультрачистой пробоподготовки: Для анализа использовался ультрачистый метод экстракции органического вещества из кернов осадочных пород, собранных в 16 странах и представляющих периоды от палеопротерозоя (2,5 млрд лет назад) до наших дней.

Результаты

  • Оба гена (SC и HpnP) в основном обнаружены у цианобактерий и альфа-протеобактерий, но каждая группа приобрела их независимо.
  • Общий предок цианобактерий уже обладал обоими генами более 2,4 млрд лет назад (во время Великого кислородного события).
  • Альфа-протеобактерии приобрели гены SC и HpnP не ранее 750 млн лет назад. Следовательно, до этого 2-метилхопаноиды производились только цианобактериями.
  • Небольшое запаздывающее увеличение содержания 2-метилхопанов в осадках около 600 млн лет назад интерпретируется как признак глобального распространения альфа-протеобактерий, что могло способствовать одновременному эволюционному подъему эукариотических водорослей.

Значение исследования

Исследование не только проясняет диагностическую ценность 2-метилхопанов и роль цианобактерий в глубокой древности, но и предлагает новую методологию. Она позволяет уточнить диагностическую ценность любого биомаркерного липида, для которого известны гены биосинтеза, и с более высоким разрешением проследить эволюцию различных экосистем.