Расшифровка геномов новых штаммов съедобной водоросли поможет сельскому хозяйству Окинавы адаптироваться к изменению климата
С 1980-х годов на фермах у побережья субтропических островов Окинавы выращивают съедобную бурую водоросль Okinawa mozuku (Cladosiphon okamuranus). Этот популярный в японской кухне суперфуд производит высокие уровни фукоидана — слизистого вещества с множеством полезных свойств, включая подавление тромбов и опухолей.
Ежегодный урожай превышает 15 000 тонн, внося миллиарды иен в местную экономику. Однако урожайность страдает из-за потепления, закисления и загрязнения воды.
В 2016 году исследователи из Marine Genomics Unit в Окинавском институте науки и технологий (OIST) расшифровали геном S-штамма — первого культивируемого штамма Okinawa mozuku. Теперь они декодировали геномы ещё трёх штаммов: O, C и K. Результаты, опубликованные в BMC Genomics, помогут отрасли адаптироваться к экологическим стрессам и дадут новые данные о биологии бурых водорослей.
«Несмотря на экологическую и экономическую важность бурых водорослей, генетических исследований до сих пор было очень мало... Отчасти из-за трудностей экстракции ДНК и РНК из-за накопления полисахаридов в клеточных стенках», — пояснил первый автор, доктор Нисицуцудзи.
В 2019 году он и его коллега доктор Аримото получили Окинавскую премию за поощрение исследований за работу по расшифровке геномов водорослей, включая Okinawa mozuku.
«Насколько нам известно, во всём мире опубликовано только семь геномов бурых водорослей, и пять из них декодированы в OIST», — отметил доктор Нисицуцудзи.
Генетические секреты штаммов
Учёные оценили, что черновые геномы K-, O- и C-штаммов содержат 12 511, 12 548 и 12 182 гена, кодирующих белки, соответственно. Для S-штамма предыдущую оценку в 13 460 генов скорректировали до 12 999.
Исследование ядерной и митохондриальной ДНК показало, что четыре штамма, вероятно, дивергировали в разное время:
- Первым отделился S-штамм, затем K-штамм.
- O-штамм и C-штамм эволюционировали наиболее недавно.
Каждый штамм развил уникальную морфологию. При сравнении геномов выяснилось, что штаммы генетически более distinct, чем ожидалось: около 2–3.5% генов уникальны для каждого штамма.
«Для сравнения: только около 0.79% генов у модельного растения Arabidopsis thaliana уникальны для каждого штамма. Уровень генетических различий у Okinawa mozuku гораздо выше, что потенциально позволяет классифицировать каждый штамм как отдельный подвид», — сказал доктор Нисицуцудзи.
Это может иметь экономические преимущества, позволяя фермерам продавать уникальные, генетически отличные бренды Okinawa mozuku.
Функции этих уникальных генов пока не установлены из-за нехватки генетических данных по бурым водорослям. Дальнейшие исследования могут показать, участвуют ли некоторые из них в морфологических вариациях или изменениях физиологии, обеспечивающих разный уровень толерантности к экологическим стрессам (тепло, кислотность).
Борьба с угрозами изменения климата
Угроза изменения климата, загрязнения и закисления океана — основная движущая сила генетических исследований Okinawa mozuku.
«Полученная генная и геномная информация может помочь нам идентифицировать штаммы Okinawa mozuku, более устойчивые к теплу, и понять, какие гены обеспечивают это ценное свойство», — объяснил доктор Нисицуцудзи.
В конечном счёте, цель подразделения — создать новые, устойчивые к изменению климата штаммы путём скрещивания существующих. Хотя для наземных растений это обычная практика, для водорослей она пока не увенчалась успехом. Для этого команда планирует сначала разработать генетические маркеры для определения пола и штамма клеток водорослей, участвующих в размножении.
«Это исследование не только поможет улучшить культивирование моцуку на Окинаве, но и имеет глобальное значение, способствуя достижению ряда Целей устойчивого развития ООН», — добавил доктор Нисицуцудзи.
Морское фермерство водорослей как углеродно-негативная культура может помочь смягчить последствия изменения климата и в будущем стать важным морским ресурсом для устойчивого производства пищи.
«Поддержание производства и улучшение культивирования Okinawa mozuku, наряду с другими съедобными водорослями, является главным приоритетом», — заключил доктор Нисицуцудзи.