Одноклітинний морський хижий організм поглинув із водоростей потрібні для фотосинтезу хлоропласти, «виплюнув» ядро водорості та сам змусив хлоропласти працювати. Без білків цього організму хлоропласти працювали вдвічі гірше, а з цими білками вони могли залишатися в клітині протягом щонайменше двох тижнів. Як вважають науковці, завдяки такому поглинанню та підтриманню роботи частин клітин у перших рослин і з’явилися хлоропласти. Дослідження опублікували в журналі Nature Communications.
Що науковці вже знали про появу перших рослин?
Найпоширенішою теорією появи здатності до фотосинтезу в рослин є клептопаразитизм, тобто викрадення чужих частин клітин, щоб потім використати їх у своїх цілях. На самому початку еволюції зелених рослин їхні примітивні клітини поглинули ціанобактерії, у яких уже виникли потрібні для фотосинтезу структури. Внаслідок пристосувань до співжиття ці ціанобактерії зрештою перетворилися на хлоропласти сучасних рослин.
До клептопаразитизму здатні й деякі сучасні організми, але замість поглинання ціанобактерій вони «крадуть» хлоропласти в рослин, здебільшого одноклітинних водоростей. Наприклад, морські слимаки здатні поглинати хлоропласти з водоростей і навіть зберігати їх активними у своєму тілі протягом тривалого часу. Проте досі науковцям було невідомо, як саме хлоропласти продовжують жити в чужому для них організмі, адже для підтримки роботи їм потрібні білки, що утворюються завдяки активності генів з ядра. Тому дослідити це японські науковці з Технологічного університету Фукуї вирішили за допомогою сучасного організму-клептопаразита.
Як підтвердили симбіоз одноклітинного організму та хлоропластів?
Науковці досліджували одноклітинний організм Rapaza viridis, який харчується виключно водоростями роду Tetraselmis. У його ДНК знайшли 37 різних генів, націлених саме на хлоропласти. Хоча деякі з них нагадували гени водорості, у них уже з’явилися характерні риси генів одноклітинних джгутикових, до яких належить R. viridis. Тобто на якомусь ранньому етапі своєї еволюції цей організм отримав гени, потрібні для підтримання життя хлоропластів, а потім вони прижилися в його геномі.
Дослідники виявили два ключових білки, які R. viridis виробляє для впливу на хлоропласти. Один із них був аналогом малої субодиниці білка РуБісКО — ключового білка фотосинтезу. Інший — білком, що регулює роботу РуБісКО. Коли науковці заблокували гени, що кодують ці білки, ефективність фотосинтезу знизилася, а у випадку аналога малої субодиниці РуБісКО — зменшилася аж у два рази. Таким чином дослідники виявили, за допомогою яких білків клітина-хазяїн підтримує роботу поглинутих хлоропластів. Також науковці з’ясували, що синтезовані клітиною білки потрапляють просто всередину хлоропластів. Для цього клітина R. viridis використовує той самий механізм доставки, що й водорості — модифікацію одного з кінців амінокислотної послідовності.
Але дослідники виявили й відмінності між роботою хлоропластів в оригінальних клітинах і в організмі R. viridis. У R. viridis аналог малої субодиниці РуБісКО впливав на тилакоїди, основні структурні частинки хлоропластів, і змушував їх ділитися на декілька менших. Після цього клітина R. viridis сама ділилася на дві дочірніх, кожна з яких отримувала свої хлоропласти, які функціонували протягом двох тижнів. Потому новим особинам R. viridis потрібно було шукати собі водорості, щоб поглинути з них ще хлоропластів і повторити цикл.
Як ці результати допоможуть зрозуміти еволюцію рослин?
Науковці вперше показали, що під час клептопаразитизму відбувається не просто структурний химеризм, тобто поєднання частин клітин різних організмів, але й молекулярний, коли клітина-хазяїн підтримує роботу частин клітин-донорів. При цьому білки хазяїна поступово заміняли білки водорості та синтезувалися лише після того, як руйнувалися власні білки хлоропластів. Така взаємодія між Rapaza viridis і Tetraselmis допоможе дослідникам у реальному часі перевіряти свої гіпотези щодо того, як на початку еволюції багатоклітинних організмів бактерії з їжі перетворилися на незамінну частину їхніх клітин.
Як фотосинтез поєднується з тваринними клітинами
🥵 Іноді одноклітинні організми не крадуть хлоропласти, а поглинають цілу клітину водорості та формують з нею симбіоз, але глобальне потепління нашкодило цьому.
🦠 Відтворити те, як з’явилися перші рослини, біохіміки змогли завдяки поєднанню ціанобактерій і дріжджів, яке стало штучною формою життя.
🐹 А перемістивши хлоропласти в клітини яєчників хом’яка, біологи навчили ці клітини фотосинтезу, який зберігався у них протягом двох дію.