Одноклеточный морской хищник поглощает у водорослей хлоропласты, необходимые для фотосинтеза, избавляется от их ядра и затем самостоятельно поддерживает работу этих органелл. Без белков самого хищника хлоропласты работали заметно хуже, а с его белками сохраняли активность в клетке как минимум две недели.
Ученые считают, что подобные взаимодействия помогают понять, как у первых растений могли появиться собственные хлоропласты. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Как появились первые растения
Наиболее распространенная гипотеза появления способности к фотосинтезу у растений связана с эндосимбиозом. На раннем этапе эволюции предок растений поглотил цианобактерию, у которой уже существовал аппарат фотосинтеза. Со временем этот симбионт утратил самостоятельность и превратился в хлоропласт современных растений.
Сходные процессы частичного «заимствования» чужих фотосинтетических структур наблюдаются и у некоторых современных организмов, но вместо цианобактерий они захватывают уже готовые хлоропласты у водорослей. Например, морские слизни могут сохранять такие хлоропласты активными в своем теле в течение некоторого времени. Однако долгое время оставалось неясно, как именно чужие хлоропласты продолжают работать в клетке хозяина, ведь для их нормального функционирования нужны белки, кодируемые ядерными генами.
Симбиоз одноклеточного организма и хлоропластов
Команда японских ученых исследовала одноклеточный организм Rapaza viridis, который питается водорослями рода Tetraselmis и временно сохраняет их хлоропласты. В его геноме обнаружили 37 генов, продукты которых, как предполагается, направляются именно в эти захваченные хлоропласты. Часть из них по происхождению связана с генами водорослей, но уже несет признаки адаптации к геному самого хозяина. Это говорит о том, что R. viridis приобрел и закрепил у себя инструменты, необходимые для поддержания жизни чужих хлоропластов.
Исследователи выделили два ключевых белка, с помощью которых R. viridis воздействует на хлоропласты. Один оказался похож на малую субъединицу рибулозобисфосфаткарбоксилазы (РуБисКО) — одного из главных ферментов фотосинтеза, а второй — на белок, регулирующий работу РуБисКО. Когда ученые подавляли синтез этих белков, эффективность фотосинтеза снижалась, причем в случае белка, подобного малой субъединице РуБисКО, — примерно вдвое. Так удалось показать, что клетка-хозяин действительно поддерживает работу захваченных хлоропластов собственными белками.
Ученые также выяснили, что синтезированные клеткой белки попадают непосредственно внутрь хлоропластов. Для этого R. viridis использует механизм адресации белков, сходный с тем, который применяют сами водоросли.
При этом работа хлоропластов в организме R. viridis отличалась от их поведения в исходных клетках водорослей. Белок, похожий на малую субъединицу РуБисКО, воздействовал на тилакоиды — внутренние мембранные структуры хлоропластов — и способствовал их перестройке. После этого клетка R. viridis делилась надвое, и каждая дочерняя клетка получала свои хлоропласты, которые оставались активными около двух недель. Затем новым особям снова приходилось искать водоросли, чтобы захватить свежие хлоропласты и повторить цикл.
Значение для понимания эволюции растений
Ученые впервые показали, что при таком взаимодействии происходит не просто временное объединение частей клеток разных организмов, но и молекулярная интеграция, при которой белки хозяина поддерживают работу чужих органелл. По мнению авторов, система Rapaza viridis — Tetraselmis может стать удобной моделью для проверки гипотез о том, как в ходе эволюции временно захваченные фотосинтетические структуры могли превратиться в собственные хлоропласты клетки.
Читайте также: Почему деревья не вырастают до неба.
