Крошечный океанический союз водорослей и бактерий раскрывает секреты эволюции

Новое исследование под руководством учёных из Стокгольмского университета, в сотрудничестве со Шведским университетом сельскохозяйственных наук и Университетом Линнея, опубликованное в Current Biology, показывает, как симбиоз микроскопических водорослей и бактерий даёт редкие пошаговые снимки того, как бактерии теряют гены и адаптируются к растущей зависимости от хозяина.

В беднейших питательными веществами водах океанов существуют крошечные партнёрства, поддерживающие жизнь. Это симбиозы между микроскопическими водорослями-диатомеями и цианобактериями рода Richelia, способными фиксировать атмосферный азот в доступную для живых организмов форму. Диатомовые водоросли — активные фотосинтетики, преобразующие энергию света и CO₂ в химическую энергию (сахара).

Континуум интеграции

Способ физического взаимодействия Richelia со своими хозяевами варьируется: одни живут снаружи клетки диатомеи, другие — в пространстве между её внешней клеточной стенкой (фрустулой) и внутренней мембраной, третьи — полностью внутри клетки. Этот «континуум» интеграции отражает разные стадии партнёрства и даёт уникальную возможность изучать эволюционный процесс в разные моменты времени их взаимоотношений.

Геномы в переходном состоянии

Используя сравнительную геномику, исследователи выявили, что геномные особенности разных Richelia отражают ключевые переходные стадии эволюционного процесса.

«По мере того как Richelia становятся более зависимыми от своих хозяев, набор генов, которые они несут, сильно меняется. Мы видим, какие гены исчезают, а какие остаются — это даёт нам редкий взгляд на то, как эти партнёрства эволюционируют шаг за шагом», — говорит доктор Весна Груйчич.

Анализ пангенома выявил набор генов, общих для всех Richelia (основной геном), и вспомогательные гены, различающиеся между видами. Исследователи также изучили:

• Уменьшение размера генома (геномную редукцию).
• Псевдогенизацию — накопление мутаций, приводящих к потере функции генов.
• Размер и распределение межгенных пространств (интергенных спейсеров).

Уровень интеграции влияет не только на размер генома и содержание генов, но и на долю кодирующих областей ДНК. Исследование некодирующей ДНК также многое рассказало об эволюционном пути симбионтов.

Роль «прыгающих генов»

Исследование выявило интересную роль вставочных последовательностей и транспозонов («прыгающих генов»). У частично интегрированных симбионтов (живущих между фрустулой и мембраной) размер генома был лишь немного меньше, чем у внешних симбионтов, несмотря на потерю многих метаболических путей. Оказалось, что их геномы были «раздуты» за счёт множества вставочных последовательностей.

Модель для изучения эволюции в действии

Исследователи предполагают, что симбиозы диатомей и Richelia представляют собой ценную модель для изучения эволюции генома симбионтов. Работа даёт уникальную возможность увидеть эволюцию в действии, поскольку известно мало примеров симбиозов, застигнутых на переходных стадиях.

Остаётся много вопросов о том, как жизнь в симбиозе повлияла на эволюцию геномов хозяев-диатомей и могут ли такие модели симбиозов с фиксацией N₂ быть полезны, например, в синтетической биологии для создания фиксирующих азот сельскохозяйственных культур.