Ученые обнаружили, что некоторые морские диатомовые водоросли отказались от фотосинтеза и перешли на питание углеводами из морских водорослей — это стало возможным благодаря гену, позаимствованному у бактерий. Открытие показывает, как горизонтальный перенос генов может влиять на эволюцию живых систем, позволяя им осваивать новые экологические ниши. Исследование опубликовано в журнале PLOS Biology.
Диатомовые водоросли — микроскопические организмы, которые играют ключевую роль в морских экосистемах, производя кислород и являясь основой пищевых цепочек. Большинство из них автотрофы: они используют солнечный свет для синтеза органических веществ. Однако некоторые виды рода Nitzschia утратили хлорофилл и перешли на гетеротрофное питание, потребляя углеводы из морских водорослей и разлагающейся органики. Долгое время оставалось загадкой, как именно произошел этот переход. В новом исследовании международная команда ученых из Сингапура, Германии и Норвегии обнаружила генетический механизм, который позволил диатомовым водорослям перейти на необычную диету.
В ходе работы исследователи секвенировали геном вида Nitzschia sing1 и проанализировали его особенности. Оказалось, что в геноме водоросли присутствует ген бактериального происхождения, кодирующий фермент для расщепления альгината — полимера, который входит в состав клеточных стенок бурых водорослей, таких как ламинария. Предположительно, предок N. sing1 позаимствовал этот ген у морской бактерии миллионы лет назад. Со временем ген не только встроился в геном водоросли, но и многократно дуплицировался, а его копии накапливали мутации. Это привело к появлению новых функций: ферменты, кодируемые дуплицированными генами, стали эффективнее расщеплять альгинат на простые углеводы, которые диатомея теперь использует как источник углерода. Утратив необходимость в фотосинтезе, N. sing1 смогла освоить уникальную экологическую нишу — поверхность морских водорослей в приливной зоне. При этом другие виды Nitzschia, не способные разлагать альгинат, вероятно, используют иные стратегии для получения углерода, что указывает на разнообразие эволюционных адаптаций внутри рода.
Ученые впервые продемонстрировали, как горизонтальный перенос генов, дупликация и появление новых функций привели к появлению сложного метаболического признака. Новое исследование не только раскрывает эволюционное происхождение способности к метаболизму альгината, но и показывает генетические механизмы, позволившие диатомовым водорослям стать облигатными гетеротрофами, то есть организмами, которые утратили способность фотосинтезировать и вынуждены получать готовые органические вещества из окружающей среды. Открытие важно для понимания того, как виды осваивают новые экологические роли и как углерод циркулирует в прибрежных экосистемах.
Перспективы дальнейших исследований связаны с изучением других видов Nitzschia — секвенирование их геномов поможет выявить альтернативные стратегии питания. Кроме того, работа поднимает вопросы о том, как часто горизонтальный перенос генов влияет на эволюцию эукариот и какие еще метаболические «инновации» могут возникать благодаря таким процессам. По словам ученых, это направление способно перевернуть представления об адаптациях морских организмов и их роли в биогеохимических циклах.
Автор: Богдан Скиба.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
