Фотосинтез в темноте? Разгадка тайны эволюции водорослей

Ученые давно изучают, какая из трех основных фотосинтетических эукариот (красные, зеленые водоросли и глаукофиты) появилась первой, чтобы раскрыть биологическую загадку эволюции водорослей.

Несмотря на то, что структура цианелл — органелл, уникальных для глаукофит, — наиболее похожа на таковую у предковых цианобактерий, эти исследования не разрешили окончательно положение глаукофит на эволюционном древе и оставили раннюю историю ветвления трех основных фотосинтетических линий неопределенной.

Новое исследование ученых из Университета Васэда показало, что влияние дыхания на фотосинтез у глаукофиты Cyanophora paradoxa удивительно похоже на взаимодействие между дыханием и фотосинтезом у цианобактерий. Эти результаты позволяют предположить, что цианеллы сохранили многие черты, наблюдаемые у их предковых цианобактерий.

«С точки зрения метаболических взаимодействий, C. paradoxa — это первичная симбиотическая водоросль, наиболее похожая на цианобактерии», — говорит Кинтаке Сонойке, профессор физиологии растений и клетки Университета Васэда. — «Наши выводы предоставляют ценную информацию для раскрытия того, как эволюционировали фотосинтезирующие организмы».

Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Эволюция фотосинтезирующих организмов началась примерно 2,5 миллиарда лет назад с появлением цианобактерий, которые первыми использовали молекулы воды для фотосинтеза, выделяя кислород в качестве побочного продукта и меняя формы жизни на Земле. После события эндосимбиоза между эукариотом и цианобактерией от общего предка — эукариотического фотосинтезирующего организма — произошли красные, зеленые водоросли и глаукофиты. В этом долгом процессе различные метаболические взаимодействия в клетках сильно изменились. Например, когда цианобактерии, которые до этого осуществляли и фотосинтез, и дыхание, эволюционировали в хлоропласт, за дыхание стали отвечать митохондрии. Однако не хватало информации об этих аспектах у глаукофит, что необходимо для понимания разнообразия регуляции фотосинтеза и метаболического взаимодействия среди первичных симбиотических водорослей.

В этом исследовании профессор Сонойке измерил флуоресценцию хлорофилла с помощью импульсно-амплитудного модуляционного (PAM) флуорометра, чтобы проанализировать фотосинтез у C. paradoxa, не разрушая клетки, и проверить его взаимодействие с метаболическими реакциями, такими как дыхание. Применение такой техники к водорослям непросто, но, будучи экспертом по измерению флуоресценции у цианобактерий, профессор Сонойке успешно адаптировал метод для этого исследования.

Измеряя флуоресценцию хлорофилла при освещении клеток глаукофит разными видами света, ученые обнаружили, что уровни нефотохимического тушения (NPQ) — механизма защиты водорослей от интенсивного света — были высокими в темноте, снижались при слабом свете и снова увеличивались при сильном свете. Это означает, что фотосинтез глаукофит изменяется под влиянием других метаболических реакций, даже в темноте.

«Такая вогнутая зависимость от света была весьма похожа на наблюдаемую у цианобактерий, — отмечает профессор Сонойке. — Хотя глаукофиты осуществляют фотосинтез и дыхание раздельно с помощью соответствующих органелл, в отличие от цианобактерий, у обоих организмов наблюдаются сходные метаболические взаимодействия».

Эти результаты формируют новую теорию о влиянии дыхания и других метаболических реакций на фотосинтез. Считается, что такие реакции замедляют эффективность фотосинтеза, но глаукофиты, по-видимому, используют другой метаболический путь, чтобы компенсировать потери. В последние годы было обнаружено, что хотя растения без регуляции фотосинтеза на уровне ДНК могут выживать при определенных световых условиях, в природе, где количество света зависит от среды, такие растения легко погибают. Учитывая это, возникает гипотеза, что регулирование фотосинтеза в темных местах при слабом свете посредством метаболических взаимодействий заранее может быть необходимым для эффективного фотосинтеза в природе. Профессор Сонойке планирует далее исследовать, может ли дыхание — противоположная фотосинтезу реакция — фактически помогать эффективности фотосинтеза.