Ученые долго изучали, кто из трех основных фотосинтезирующих эукариот (красные водоросли, зеленые водоросли и глаукофиты) появился первым, чтобы разгадать биологическую тайну эволюции водорослей, анализируя их генетическую информацию.
Несмотря на то, что структура цианелл, органеллы, уникальной для глаукофитов, наиболее похожа на предковые цианобактерии среди других органелл, эти исследования не определили окончательно положение ветвления глаукофитов и оставили раннюю историю ветвления трех первичные фотосинтетические линии неизвестны.
Недавнее исследование, проведенное учеными из Университета Васэда, показало, что влияние дыхания на фотосинтез у глаукофитов Cyanophora paradoxa удивительно похоже на взаимодействие между дыханием и фотосинтезом у цианобактерий. Эти результаты позволяют предположить, что цианеллы сохраняют многие характеристики, наблюдаемые у их предков цианобактерий.
«С точки зрения метаболических взаимодействий C. paradoxa является основной симбиотической водорослью, наиболее похожей на цианобактерии», - говорит Кинтаке Соноике, профессор физиологии растений и клеток в Университете Васэда. «Наши результаты дают ценную информацию для понимания того, как развивались фотосинтезирующие организмы».
Это исследование опубликовано в Scientific Reports.
Эволюция фотосинтезирующих организмов началась примерно 2,5 миллиарда лет назад, когда появились цианобактерии и впервые использовали молекулы воды для фотосинтеза, высвобождая кислород в качестве побочного продукта и изменяя формы жизни на Земле. После эндосимбиоза с участием эукариот и цианобактерий красные водоросли, зеленые водоросли и глаукофиты отделились от своего общего предка, эукариотического фотосинтезирующего организма. В этом длительном процессе резко изменились различные метаболические взаимодействия в клетках. Например, когда цианобактерии, которые до этого осуществляли как фотосинтез, так и дыхание, превратились в хлоропласты, за дыхание стали отвечать митохондрии. Тем не менее, было недостаточно информации об этих аспектах глаукофитов, которые необходимо было рассмотреть, чтобы понять разнообразие регуляции фотосинтеза и метаболических взаимодействий между первичными симбиотическими водорослями.
В этом исследовании профессор Соноике измерил флуоресценцию хлорофилла с помощью флуорометра с амплитудно-импульсной модуляцией (PAM) для анализа фотосинтеза C. paradoxa без разрушения клеток и проверки его взаимодействия с метаболическими реакциями, такими как дыхание. Применение такого метода к водорослям непросто, но, будучи экспертом в измерении флуоресценции цианобактерий, профессор Соноике успешно адаптировал метод к этому исследованию.
Флуоресцентное излучение хлорофилла измеряли, освещая различными видами света клетки глаукофитов. В результате уровни нехимического тушения (NPQ), механизма защиты водорослей от интенсивного света, были высокими в темноте, но снижались при слабом освещении и снова увеличивались при ярком свете. Это означает, что на фотосинтез глаукофитов влияют и изменяют другие метаболические реакции даже в темноте.
«Такая вогнутая световая зависимость была очень похожа на наблюдаемую у цианобактерий», - отмечает профессор Соноике. «Хотя глаукофиты осуществляют фотосинтез и дыхание отдельно с соответствующими органеллами, в отличие от цианобактерий, в обоих организмах наблюдаются сходные метаболические взаимодействия».
Эти результаты формулируют новую теорию о влиянии дыхания и других метаболических реакций на фотосинтез. Считается, что такие метаболические реакции замедляют эффективность фотосинтеза, но глаукофиты, похоже, используют другой метаболический путь, чтобы компенсировать потерю. В последние годы было обнаружено, что хотя растения без ДНК-регуляции фотосинтеза могут выживать при определенных условиях освещения, такие растения могут быть легко уничтожены в природе, где количество света зависит от окружающей среды. Принимая это во внимание, возникает гипотеза, что для эффективного фотосинтеза в природе может быть необходима регуляция фотосинтеза в темных местах при слабом освещении посредством заблаговременных метаболических взаимодействий. Профессор Соноике планирует продолжить исследование того, может ли дыхание, противостоящее фотосинтезу, на самом деле способствовать эффективности фотосинтеза.