21.09.2012

Симбиоз на низшем уровне, или Как дружат цианобактерии и водоросли

Стало известно, за счёт кого живут морские азотфиксирующие цианобактерии с ущербным геномом: их партнёрами оказались одноклеточные планктонные водоросли, которые в обмен на органический азот отдают бактериям питательные вещества, образованные в результате фотосинтеза.

Морские цианобактерии UCYN-A, о которых пойдёт речь, были открыты больше двадцати лет назад. Хотя они широко распространены, никак не получалось культивировать их в лабораторных условиях. И когда учёным удалось прочесть геном UCYN-A, оказалось, что у них не хватает ряда генов, отвечающих за важные метаболические пути. Из этого следовало, что эти цианобактерии живут с кем-то в содружестве, но долгое время предполагаемые друзья UCYN-A оставались неизвестными.

В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи из Института микробиологии моря общества Макса Планка (ФРГ) и Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США), в свое время открывшие эти цианобактерии, сообщают, что обнаружить таинственных симбионтов наконец-то удалось. Ими оказались микроскопические водоросли-гаптофиты, одноклеточные организмы размером в 1–3 мкм. На одном конце клеток водорослей есть небольшое углубление, которое вполне подходит для цианобактерий. Но как именно бактерии прикрепляются к водорослям, учёные пока не знают.

Тем не менее факт симбиоза между двумя организмами удалось доказать. Итак, у бактерий отсутствуют отдельные гены, кодирующие некоторые белки фотосинтетической цепи и цикла Кребса, одного из важнейших этапов в получении энергии. С другой стороны, UCYN-A способны фиксировать азот, включать его в органические соединения, доступные растениям и водорослям. Исследователи использовали стабильные изотопы углерода и азота, которые в совокупности с методом масс-спектрометрии позволили увидеть «товарообмен» между бактериями и водорослями.

Понятно, что всё это сильно напоминает процесс, который, по современным представлениям, привёл к появлению хлоропластов. Считается, что хлоропласты возникли из цианобактерий, которые селились в клетках эукариот на правах эндосимбионтов. Глядя на UCYN-A и их партнёров гаптофитов, можно представить некоторые этапы этого процесса. Хотя провести полную аналогию всё же нельзя: в данном случае фотосинтез осуществляет эукариотическая клетка хозяина, а не цианобактерия.

Учёные давно предполагают, что и среди планктонных организмов могут встречаться случаи взаимовыгодного сотрудничества. Но изучать планктонный симбиоз очень трудно, и это одна из первых работ, в которой такие отношения описаны с необходимой достоверностью. Как поясняют авторы работы, удача улыбнулась им, потому что они взяли в морскую экспедицию всё необходимое оборудование и анализировали образцы прямо на судне. Цианобактерии и водоросли соединены друг с другом достаточно прочно, чтобы вместе плавать в океане, но этого не хватает, чтобы выдержать путешествие до лаборатории в замороженном виде.

Исследователи подчёркивают, что такой симбиоз может иметь огромное значение для экологии моря. Хотя сами гаптофиты в смысле фотосинтеза играют не слишком большую роль по сравнению с другими водорослями, их симбионты UCYN-A необходимы морским экосистемам для пополнения запасов азота. Водоросли-симбионты не только предоставляют цианобактериям условия для работы, но и могут играть роль в транспортировке фиксированного азота. Многие гаптофиты образуют на поверхности клеток кальциевые щитки, которые утяжеляют клетку, и, погружаясь на дно, водоросли уносят вместе с собой и цианобактериальные фабрики по производству органического азота.

Кирилл Стасевич

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА