20.09.2016

Третий — не лишний: в большинстве лишайников присутствуют два гриба и водоросль

Международная команда ученых с помощью методов метагеномики и метатранскриптомики обнаружила, что в состав большинства кустистых и листоватых лишайников кроме аскомицета и зеленой водоросли входит третий компонент — дрожжи-базидиомицеты. У подробно изученных видов их клетки сосредоточены в наружном слое кортекса. В разных группах лишайников присутствуют дрожжи разных видов, относящихся к одному монофилетическому таксону ранга отряда. От количества клеток дрожжей может зависеть морфология лишайника и содержание в нем вторичных метаболитов, в том числе ядовитой вульпиновой кислоты. Эти данные объясняют, почему так сложно воссоздать нормальные талломы лишайников в лаборатории, используя только аскомицеты и водоросль.

В этом году исполняется 150 лет с момента открытия симбиотической природы лишайников. К открытию, которое казалось современникам поразительным и было встречено с большим недоверием, за полтора столетия мы привыкли: все знают со школьной скамьи, что лишайники — симбиоз гриба и водоросли. В подавляющем большинстве случаев гриб — представитель аскомицетов, а водоросль — один из видов зеленых водорослей (есть и другие сочетания, но они редко встречаются среди кустистых и листоватых лишайников — так называемых макролишайников, о которых дальше пойдет речь).

Как же определить «адрес» таких странных организмов в системе живой природы? Многие ученые выделяли лишайники в особый тип (отдел) или даже царство. Но сейчас, в эпоху господства кладистики, лишайники уже не считаются таксоном. Даже если не брать во внимание немногочисленные виды, где гриб относится к базидиомицетам, лишайники — полифилетическая группа. «Лишайниковый» образ жизни много раз возникал независимо в разных эволюционных линиях аскомицетов, утрачивался и возникал вновь. Видовые признаки лишайников зависят от грибного компонента: виды грибов в разных видах лишайников разные, а водоросли могут быть одинаковые. Так что лишайники — это грибы, живущие в симбиозе с водорослями.

Во многих лишайниках есть и третий компонент — цианобактерия. Способность цианобактерий к азотфиксации особенно выгодна для лишайника — ведь всё питание, включая минеральные соли, его тело (таллом) получает только из атмосферы, с пылью и осадками. Присутствуют в лишайниках и другие микроорганизмы: например, многочисленные бактерии (сейчас появилась возможность изучать их набор в разных лишайниках), а иногда и «дополнительные» виды грибов. Но эти «лишние» грибы, как казалось, обычно были паразитами, эпибионтами (то есть организмами, просто живущими на поверхности других организмов) или вообще случайными «примесями». В науке прочно утвердилась концепция «один гриб — один лишайник».

Но оказалось, что эта концепция неверна. Ее опровергает статья, опубликованная этим летом международной группой исследователей в журнале Science. Гриб не один — их два: в большинстве «аскомицетных» лишайников присутствует второй грибной компонент, дрожжеподобный базидиомицет.

История этого открытия началась в 2011 году, когда один из его соавторов, Тоби Спрайбилл (Toby Spribille), вернулся в родную Монтану после учебы в Гёттингенском университете. (Любопытная деталь его биографии: в институт его приняли в порядке исключения — у него не было школьного аттестата. Когда-то такое было возможно и в СССР — так, великий математик И. М. Гельфанд стал аспирантом МГУ, не имея ни законченного среднего, ни высшего образования.). В лаборатории Джона Маккатчина (John P. McCutcheon) Спрайбилл занялся изучением эпифитного лишайника — бриории Фремонта (Bryoria fremontii, рис. 1).

У этого лишайника есть две разновидности (морфы). Одна морфа съедобная, а вторая, когда-то описанная как отдельный вид B. tortuosa, малосъедобна из-за токсичной вульпиновой кислоты (vulpinic acid). У съедобной морфы таллом обычно бурый, а у несъедобной — желтоватый; есть между ними и некоторые различия в строении.

Геномы (точнее, метагеномы — ведь в лишайнике как минимум два организма) этих двух морф уже изучали ранее. Никаких различий в последовательностях генов не обнаружилось. Проверив эти данные, авторы статьи подтвердили их — корреляций между однонуклеотидными полиморфизмами транскриптов и характерным фенотипом двух морф найти не удалось. Тогда было решено количественно исследовать метатранскриптомы, чтобы выявить возможные различия в уровне экспрессии генов. Когда сравнили транскриптомы аскомицета и водоросли, различий найти тоже не удалось. Но Спрайбилл решил проверить секвенированные последовательности на совпадение с базами данных по всем грибам. И тут выяснилось, что 500 последовательностей, характерных для базидиомицетов, в большем количестве присутствуют в талломах желтой морфы.

Следующим шагом стала проверка специфичности предполагаемого базидиомицета. Чтобы установить, присутствует ли он у других лишайников, по последовательностям рРНК были синтезированы праймеры для рДНК (18S и 28S). В других лишайниках, растущих по соседству с Bryoria fremontii, тоже были обнаружены базидиомицеты. Но и в Монтане, и на севере Европы это были базидиомицеты, отличающиеся по последовательностям ДНК от характерных для бриории.

Создавалось впечатление, что специфичные базидиомицеты присутствуют во многих лишайниках. Чтобы убедиться в этом, авторы проверили на наличие генов базидиомицетов все основные линии макролишайников из класса Lecanoromycetes. Последовательности ДНК родственных (но разных) базидиомицетов были найдены у представителей 52 родов лишайников со всех шести континентов, в том числе у 42 из 56 родов богатого видами семейства Parmeliaceae.

Составленное по многим локусам филогенетическое дерево показало, что базидиомицеты из лишайников близки к роду Cystobasidium (среди его представителе есть паразиты грибов, а также виды, способные вызывать инфекции у человека). Недавно выделенные из состава Cystobasidium виды рода Cyphobasidium сформировали монофилетическую кладу с вновь обнаруженными видами из лишайников. Ранее известные виды этого рода тоже живут в лишайниках (гипогимнии и уснее) и формируют на их талломах галлы, на которых развиваются базидии. Новые виды этой клады, по мнению авторов, относятся к разным семействам и заслуживают выделения в отдельный отряд Cyphobasidiales ord. nov., краткое формальное описание которого дано в статье.

Оценки с помощью метода молекулярных часов показывают, что обособление этого отряда от ближайших родственников произошло примерно в то же время, что и расхождение трех групп макролишайников, в которых присутствуют представители Cyphobasidiales — около 200 млн лет назад. Видимо, базидиомицеты — древний компонент макролишайников.

Где же сидят эти загадочные базидиомицеты и почему их никто ранее не видел? Сначала их не удалось увидеть и авторам статьи. Не удалось их также выделить из талломов и культивировать отдельно. Чтобы их обнаружить, понадобилось применить метод FISH (fluorescent in situ hybridization).

С помощью флуоресцентных зондов к рРНК базидиомицета удалось показать, что его дрожжеподобные клетки находятся в кортексе — плотном наружном слое таллома (рис. 2). Там они образуют самый наружный слой (у некоторых лишайников его называют эпикортекс).

Оказалось, что это типичные дрожжевые почкующиеся клетки диаметром 3–4 мкм, вмурованные в плотный матрикс из полисахаридов. На сканирующих электронных микрофотографиях их не видно из-за этого матрикса, а на поперечных срезах они неотличимы от гифов аскомицета.

Авторы объясняют, почему ложноотрицательные результаты ПЦР могли мешать обнаружению генов базидиомицетов (мы не будем вникать в методические тонкости). Но они вполне справедливо замечают, что на самом деле эти гены могли и обнаруживаться, но исследователи «не верили» в их наличие и считали результатом случайного загрязнения.

А что же две морфы бриории? Как и показывали изначальные данные транскриптомики, у желтой морфы в кортексе клеток базидиомицетов оказалось значительно больше. Как именно они вызывают накопление вульпиновой кислоты, пока неизвестно (путь синтеза этого метаболита не расшифрован, и соответствующие гены трудно изучать). Можно только предполагать, что и другие вторичные метаболиты лишайников (например, усниновая кислота) накапливаются не без участия базидиомицета. Об этом говорят, в частности, опыты по воссозданию лишайников в лаборатории: в «синтезированных» из аскомицета и водоросли талломах этот метаболит обычно не накапливается.

Кстати, полученные результаты логично объясняют, почему так трудно воссоздать нормальный таллом, используя стерильные культуры аскомицета и водоросли. От наличия кортекса во многом зависит и морфология лишайника, и его способность всасывать воду с питательными веществами. А способность формировать полноценный кортекс может зависеть от наличия второго гриба.

Аксиома «один гриб — один лишайник» настолько прочно устоялась, что была принята как основа всей таксономии и номенклатуры лишайников. Поэтому новое открытие, можно сказать, сотрясает самые основы науки о лишайниках — лихенологии. Теперь лихенологам придется учитывать и второй гриб. Что если у двух лишайников аскомицет окажется одинаковый, а базидиомицеты — разные? Пока такие случаи не описаны, но морально готовиться к такой ситуации уже можно.

Источник: Toby Spribille, Veera Tuovinen, Philipp Resl, Dan Vanderpool, Heimo Wolinski, M. Catherine Aime, Kevin Schneider, Edith Stabentheiner, Merje Toome-Heller, Goran Thor, Helmut Mayrhofer, Hanna Johannesson, John P. McCutcheon. Basidiomycete yeasts in the cortex of ascomycete macrolichens // Science. 2016. V. 353. P. 488–492. DOI: 10.1126/science.aaf8287.

Сергей Глаголев

Источники:

1. elementy.ru