Благодаря фотосинтезу у растений особые отношения с солнечным светом: они могут поглощать углекислый газ, синтезируя углеводы в буквальном смысле «из воздуха». Не удивительно, что многие растительные гены работают на хлоропласты, где и происходит фотосинтез, и что активность этих генов зависит от солнечного света. При этом сами хлоропласты могут посылать в ядро некие сигналы, влияющие на активность генов. И хотя о таком общении хлоропластов с ядром растительной клетки известно давно, природа этих сигналов продолжает до сих пор интриговать учёных. 

Хлоропласты листьев могут «разговаривать» с корнями. (Фото Callista Images.) Новое исследование, опубликованное в журнале Science, лишь запутывает дело. Альберто Корнблихт (Alberto Kornblihtt) из Буэнос-Айресского университета (Аргентина) и его коллеги из Австрии и Великобритании обнаружили, что хлоропласты могут влиять не только на транскрипцию, но и на посттранскрипционную судьбу РНК, синтезированной в ядре.

Как известно, матричная РНК после синтеза претерпевает сплайсинг, когда из молекулы незрелой РНК вырезаются некоторые куски, а оставшиеся сшиваются так, чтобы рибосомы смогли синтезировать некий белок, нужный в данный момент клетке. Этот процесс выполняет сложноустроенная белковая машина, причём сами белки, входящие в её состав, синтезируются с РНК, которая тоже проходит сплайсинг. 

Сплайсинг зависит от внешних сигналов: текущие условия определяют тот или иной вариант РНК, нужный клетке. И вот оказалось, что сплайсинг РНК, кодирующих белки сплайсинга, зависит от солнечного света, а непосредственным источником сигнала служат хлоропласты. То, что «сигналополучателем» оказывается белок сплайсинга, говорит о том, что сигнал этот имеет глобальное значение — ведь он таким образом влияет на молекулярную машину, работающую со многими РНК. 

Более того, этот хлоропластный сигнал распространяется по растению целиком. Если листья получали свет, то сплайсинговая модификация происходила и в корнях тоже. На всякий случай биологи пытались освещать и сами корни, но никакого эффекта не добились. То есть сигнал, родившись в листьях, действительно как-то добирается до корней. 

С одной стороны, тут всё понятно: свет для растений исключительно важен, он определяет почти все жизненные процессы, а поэтому его влияние должно распространиться на всё растительное тело. Вот оно и распространяется. Но как именно, ещё предстоит узнать. Одно ясно уже сейчас: это не сахара, потому что сами по себе сахара в эксперименте никакого сплайсинга не регулировали. Возможно, тот способ, которым хлоропласты общаются с ядрами своих клеток и другими частями растения, родом из тех времён, когда хлоропласты только-только перестали быть самостоятельными клетками и только-только учились строить отношения с поглотившими их клетками-хозяевами...

Истчоник: КОМПЬЮЛЕНТА

Самой известной и, пожалуй, самой популярной теорией происхождения митохондрий и хлоропластов является теория эндосимбиоза (или симбиогенеза). По ней, хлоропласты и митохондрии прежде были самостоятельными прокариотическими организмами (какими-нибудь древними бактериями или цианобактериям), которыми питались далёкие предки эукариот. В какой-то момент поедание бактерий сменилось симбиотическими отношениями: жертвы стали жить внутри охотника, обеспечивая его энергией, и в итоге превратились в знакомые всем хлоропласты и митохондрии. 

В общих чертах тут всё более-менее понятно, но что при этом происходило на клеточном уровне? Какими, например, характерными особенностями обладали клетки древнейших эукариот, которые первыми начали налаживать симбиотические отношения с поглощёнными бактериями? Почему вообще получилось так, что бактерии перестали расщепляться пищеварительными ферментами и оставались плавать в теле хозяина целыми и невредимыми? На эти и на многие другие вопросы ответов пока нет, хотя учёные интенсивно их ищут. Главная проблема, разумеется, в том, что все гипотезы и теории приходится строить на современном материале, на изучении нынешних простейших, так как ископаемых останков с тех далёких времён почти нет.

Но как можно узнать, что происходило миллионы и миллиарды лет назад, наблюдая за современным одноклеточными? Считается, что какие-то особенности структуры, какие-то особенности поведения нынешних простейших отчасти повторяют то, как вели себя их древнейшие предки. И здесь нужно добавить, что эндосимбиоз — по крайней мере тот, который привёл к появлению хлоропластов, — возникал в истории жизни несколько раз. Сначала были так называемые первичные эндосимбионты: древнейшие эукариоты, которые первыми поняли, что фотосинтезирующие цианобактерии можно использовать, так сказать, живьём. Из таких первичных эндосимбионтов впоследствии появились растения, зелёные и красные водоросли, а также своеобразная группа водорослей, называемых глаукофитами, чьи фотосинтезирующие органеллы чрезвычайно напоминают цианобактерии. 

Роль фагоцитоза древних эукариот в происхождении хлоропластов. (Рисунок авторов работы.) Но были и такие организмы, которые использовали для эндосимбиоза не сами бактерии, а первичных эндосимбионтов. То есть другие древнейшие эукариоты поглощали других эукариот, у которых уже были приручённые фотосинтезирующие цианобактерии. Из таких вторичных и третичных эндосимбионтов получились криптофитовые, гаптофитовые и гетероконтофитовые водоросли, а также эвгленоидеи. У потомков вторичных эндосимбионтов мембрана хлоропластов состоит не из двух, а из трёх слоёв. Считается, что самая внутренняя мембрана досталась хлоропластам от бактерии, а вторая, внешняя — от древнего эукариота, который, поглощая бактерию, заворачивал её в свою мембрану. В случае с трёхмембранными хлоропластами третья (самая внешняя) мембрана, как считается, досталась хлоропластам от нового хозяина, который заворачивал в свою мембрану другого эукариота с фотосинтезирующими элементами внутри. 

Однако в любом случае один из ключевых этапов — поглощение одного одноклеточного другим. Исследователи из Университета Далхаузи (Канада) и Американского музея естественной истории (США) утверждают, что древние эукариоты, которые впервые использовали хлоропластный симбиоз, поглощали бактерии не любой частью клетки, как амёбы, а с помощью специализированных структур. Учёные наблюдали за Cymbomonas, относящейся к одним из наиболее простых и древних зелёных водорослей. Хотя, как и все зелёные водоросли, Cymbomonas произошла от первичных эндосимбионтов, при этом, как оказалось, у неё сохранилась способность питаться бактериями. 

В статье, опубликованной в Current Biology, исследователи описывают пищеварительный аппарат водоросли Cymbomonas. Пища попадает в клетку через специальное отверстие, после чего по пищеводообразному каналу движется к постоянной пищеварительной вакуоли, аналогу желудка, причём пищевод может сокращаться, помогая пище продвинуться к «желудку». 

Такой способ поглощения не похож на то, что мы наблюдаем у других простейших, вроде амёб или инфузорий. Авторы работы полагают, что он достался Cymbomonas от предков, которые с его помощью приобрели первые хлоропласты. Сейчас бактерии, пойманные Cymbomonas, перевариваются в пищеварительной вакуоли, однако весь процесс поглощения пищи может быть моделью для изучения того, как бактерии в один прекрасный день избежали расщепления в вакуоли и превратились в домашних фотосинтетиков. 

В данном случае трудно сказать, что именно благодаря такому пищеварительному аппарату стало возможным «приручение» бактерий — тут могли сыграть свою роль и другие особенности физиологии древних эукариот. Но если именно такая схема поглощения пищи осуществлялась в каждом случае появления эндосимбиоза, это наводит на мысль, что это неспроста, что, очевидно, именно такой путь бактерии в клетку давал ей шанс уцелеть и развить симбиотические отношения.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Самая популярная гипотеза возникновения хлоропластов и митохондрий состоит в том, что те и другие исходно были бактериями и попали в клетки пра-(пра)-праэукариот в качестве паразитов и/или симбионтов. Потом одни бактериальные гости превратились в митохондрии и произвели тем самым революцию в энергоснабжении клетки, а другие стали хлоропластами, и с этого момента началась эволюция растений.

Хлоропласты в растительной клетке. (Фото BASF - The Chemical Company.)Но когда это произошло? События настолько древние, что ни о каких точных датах говорить не приходится. А приблизительность оценок такова, что, например, время появления эукариот «плавает» от 800 млн до 3 млрд лет назад. С такой же «точностью» определяют и время возникновения хлоропластов и митохондрий.

Но исследователям из Калифорнийского университета в Беркли (США) всё-таки удалось внести некую ясность в вопрос. До сих пор подобные оценки основывались на трудноразличимых микробных следах в палеонтологических находках и не очень внятных биохимических маркерах, которые удавалось в таких следах обнаружить. Николас Матцке и Патрик Ши пошли по другому пути: они оценивали возраст митохондрий и хлоропластов по их же генам. Как известно, эти органеллы имеют собственную ДНК и собственную молекулярную машинерию для белкового синтеза. Оставалось только понять, какие гены у них могли меньше всего измениться с тех незапамятных времён, когда и митохондрии, и хлоропласты были самостоятельными организмами.

Митохондрии в клетке лёгких. (Фото Kallista Images.)В итоге исследователи остановились на генах АТФ-синтаз — белках, которые непосредственно отвечают за синтез главной энергетической молекулы любой клетки, АТФ. Эти белки есть и в ядерном геноме, и в митохондриальном, и в хлоропластном. Они очень консервативны, и по изменениям в них можно оценить, когда происходили самые важные события в жизни на Земле. Разумеется, сравнивая изменения в генах ядра и органелл, учитывалось, что все они менялись неравномерно, с разной скоростью. Кроме того, авторы работы использовали палеобиологические данные, полученные от растительных и животных останков, которые считаются более надёжными свидетелями, нежели ископаемые микробы.

В статье в PNAS исследователи пишут, что древние протеобактерии, от которых, скорее всего, пошли митохондрии, проникли в эукариотические клетки около 1,2 млрд лет назад. Это не слишком расходится с более ранними оценками. Но с ними сильно расходится возраст растительного фотосинтеза, который, как сказано в статье, «родился» 900 млн лет назад, когда первые цианобактерии попали в клетки древних праэукариот. Цианобактерии научились фотосинтезировать давно (они вообще жили на Земле уже во времена архея), однако до сих пор считалось, что их совместная жизнь с эукариотами началась гораздо раньше, едва ли не 2 млрд лет назад.

В целом такой подход, по словам авторов работы, позволяет снизить неопределённость временнóй оценки на 14–6%. Так что, возможно, палеобиологи вскоре смогут пользоваться не столь широкими и неопределёнными рамками, какие были в ходу до сих пор, особенно в отношении событий, происходивших миллиарды лет назад.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Раппемонады — новооткрытая группа водорослей, живущих и в пресных, и в соленых водоемах. Они легко могут адаптироваться к новым условиям, когда мировой океан станет более пресным.

Раппемонады из северной части Тихого океана. Пластиды окрашены зеленым цвером, а ядра - синим Появление в биологии молекулярных методов сильно расширило знания ученых о разнообразии жизни на Земле. Анализ ДНК помог открыть множество новых организмов, причем не только на уровне видов, но и на уровне более крупных систематических единиц, например, родов или семейств.

Новые обитатели океанов

Ученые из Великобритании и Канады под руководством доктора Эунсу Ким (Eunsoo Kim) из Университета Дальхаузи (Канада) обнаружили новый тип водорослей, который они назвали раппемонадами. Эти водоросли содержат от двух до четырех хлоропластов. Правда, по словам авторов, вполне возможно, что эти хлоропласты не фотосинтезируют. Раппемонады распространены в Северной Атлантике, на севере Тихого океана и в европейских пресных водоемах – то есть эта группа, как, оказалось, обладает удивительно широкой экологической амплитудой. ПЦР-анализ показал, что раппемонады встречаются довольно редко. Но иногда поздней зимой они резко размножаются (например, это регулярно происходит в Саргассовом море).

Уникальность новой группы

Доктор Ким изучила генетическую последовательность генов в ядре и пластидах этих организмов и сравнила ее с уже известными последовательностями других водорослей. Оказалось, что последовательность в клетках раппемонад не относится ни к одним уже известным типам водорослей. По словам ученых, люди и грибы генетически более близки, чем раппемонады и другие водоросли, например, зеленые.

Филогенетический анализ на основе нуклеотидных последовательностей позволил выяснить, что раппемонады представляют собой самостоятельную группу наравне с криптофитовыми и гаптофитовых водорослями, которые относятся к царству простейших.

Интересная деталь – у раппемонад довольно крупные клетки. Во всяком случае, их размеры больше клеток любого другого фитопланктона, живущего в океане.

Будущее за новой группой

По словам биологов, фитопланктон представляет собой необыкновенно важную часть морских экосистем. Ведь эта группа производит примерно 50% всей первичной продукции на Земле, а значит, утилизирует огромное количество углекислоты.

Отличие и преимущество раппемонад состоит еще и в их экологической пластичности. «Обнаруженная нами группа водорослей чрезвычайно пластична – эти организмы вполне могут существовать в условиях разной солености. Это свойство может стать большим преимуществом в условиях, когда Мировой океан меняется, когда в некоторых его акваториях происходит опреснение в результате таяния арктических льдов. Поэтому именно эти организмы, возможно, и сыграют ведущую роль в стабилизации мирового океана в новых условиях», — пишут авторы исследования в своей статье «Newly identified and diverse plastid-bearing branch on the eukaryotic tree of life», опубликованной в журнале PNAS.

Источник: Infox.ru

Rhizanthella gardneri — это милая, своеобразная, находящаяся под угрозой исчезновения орхидея, живущая всю жизнь в подполье. Она даже цветёт под землей, что делает её довольно уникальным растением.

Увидеть эту орхидею — большая удача. (Фото Fred Hort.) В прошлом году с помощью радиоактивных изотопов учёным из Университета Западной Австралии удалось показать, что орхидея получает все питательные вещества благодаря грибу, паразитирующему на корнях одной из разновидностей дрока, характерной для западно-австралийской глубинки.

И вот теперь исследователи расшифровали геном Rhizanthella gardneri. Весьма своевременно, ибо в природе осталось менее пятидесяти представителей этого вида.

Несмотря на то что это полностью подземное растение не способно к фотосинтезу и не имеет зелёных частей, оно всё ещё сохраняет хлоропласты. «Мы обнаружили, что по сравнению с обычными растениями 70% хлоропластных генов потеряны, — рассказывает ведущий автор исследования Этьен Деланнуа из Центра выдающихся достижений в биологии растительной энергетики. — Осталось только 37. Это самый маленький хлоропластовый геном».

Известно, что он кодирует и другие функции, помимо фотосинтеза, но на примере нормальных растений их очень трудно изучать. В Rhizanthella gardneri всё, что не является необходимым для паразитического образа жизни, отмерло. Осталась только та часть генома, которая нужна для производства четырёх важнейших белков.

Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Объединение цианобактерий с хозяйской клеткой, которое привело к образованию хлоропластов, происходило при участии третьего участника — паразитической бактерии, осуществлявшей перенос генов между симбионтами.

Водоросль-глаукофит Cyanophora paradoxa (фото cuplantdiversity)Считается, что растения и водоросли произошли в результате объединения каких-то древних эукариотических клеток и цианобактерий. Цианобактерии обладали способностью к фотосинтезу и служили пищей другим древнейшим одноклеточным. В какой-то момент хищники перестали съедать пойманные цианобактерии, оставляя их жить внутри себя. Постепенно отношения «хищник — жертва» превратились в отношения между симбионтами, и в конце концов цианобактерии превратились в хлоропласты — фотосинтезирующие органы, которые есть у всех современных растений и водорослей.

Исследователи из Университета Ратджерса (США) полагают, что объединение цианобактерий и древних эукариот не обошлось без участия третьей стороны — некоей паразитической бактерии, подобной современным хламидиям. В статье, опубликованной в журнале Science, авторы сообщают о результатах анализа генома глаукофитов — небольшой группы зелёных водорослей, состоящей всего из 13 видов. Эти водоросли числятся среди «живых ископаемых»: считается, что они обладают наименее «одомашненной» версией цианобактерий. Для их пластид придумали даже специальное название — цианеллы.

Глаукофиты демонстрируют нам, как происходило объединение цианобактерий и их хозяев. У глаукофитов есть белки, необходимые для синтеза крахмала, переноса хлоропластных белков и других биохимических процессов, общих для растений и водорослей. Но при этом у них нет собственных генов, которые нужны для транспорта синтезированных питательных веществ из цианобактерий-пластид. Авторы статьи утверждают, что им удалось найти генетические следы третьего симбионта — паразитической бактерии, чьи гены оказались необходимы для осуществления связи между хозяйской клеткой и цианобактерией.

Обмен генами между тремя участниками позволил создать хлоропласт, которым водоросли и растения пользуются и поныне. Скорее всего, некоторые гены цианобактерий, которые до сих пор сохраняются у цианелл глаукофитов, впоследствии перешли в клеточное ядро при посредничестве бактерии-паразита. Растения должны были принять в свои гены «сожителей», чтобы научиться управлять формирующимся органом. Гипотеза о том, что современные растения представляют собой химеры из нескольких предков, уже выдвигалась в 1960-х годах, но получить аргументы в её пользу смогли только сейчас. Что до причин, которые заставили древних одноклеточных эукариот предложить бактериям симбиоз, то о них остаётся только гадать. Возможно, как полагают учёные, 1,6 млрд лет назад резко сократилось количество пищи, и голодающим одноклеточным хищникам пришлось подумать о смене стратегии выживания.

Источник:  КОМПЬЮЛЕНТА