Исследователи из Колорадского университета в Боулдере обнаружили первое известное молекулярное свидетельство облигатного симбиоза у лишайников, отличительных коэволюционных отношений, которые могут пролить новый свет на то, как и почему некоторые многоклеточные организмы консолидируют свои геномы, чтобы сосуществовать.
Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Molecular Ecology, показывает, что грибковые организмы сокращают свой основной геномный состав, сливаясь с водорослями, образуя лишайниковое партнерство, которое предположительно является «обязательным» (т. обоих партнеров), но ранее не было прямой генетической проверки.
«Симбиозы позволяют двум разным организмам выживать в областях, где они иначе не смогли бы расти», - говорит Эрин Трипп, куратор отдела ботаники Музея естественной истории Университета Калифорнии и соавтор нового исследования. «Эти результаты интересны, потому что они иллюстрируют ключевую генетическую основу этого обязательного спаривания».
Лишайники вездесущи по всему миру и могут покрывать до шести процентов земной суши. Известно более 20 000 видов лишайников, некоторые из которых хорошо подходят для экстремальных условий, таких как пустыни и арктическая тундра. Лишайники играют важную роль в таких экологических процессах, как почвообразование и круговорот питательных веществ, и служат биоиндикаторами токсичности окружающей среды.
Генетические механизмы и последствия этих союзов грибов и водорослей, однако, остаются плохо изученными. Используя образцы, собранные в южных Аппалачах, исследователи из Калифорнийского университета в Боулдере секвенировали ДНК 22 отдельных видов лишайников, чтобы лучше понять, как два неродственных организма эволюционируют совместно на молекулярном уровне.
Выводы показали, что в некоторых случаях грибы-партнеры этого симбиоза оптимизировали свой митохондриальный геном подобно тому, как пара, живущая вместе, может избавиться от повторяющихся предметов домашнего обихода.
«Гриб потерял важнейший ген, производящий энергию, в то время как водоросли сохранили полноразмерную копию этого гена», - сказал Клоэ Погода, ведущий автор исследования и дипломированный научный сотрудник отдела молекулярной и клеточной медицины Университета Боулдера. и биология развития. «Мы наблюдали параллельную потерю этого гена в трех разных линиях лишайников: гриб отказывается от этого конкретного гена, в то время как его партнер по фотосинтезу сохраняет его».
Это обязательное соглашение, при котором один из партнеров отказывается от своих собственных митохондриальных источников энергии, чтобы, вероятно, стать зависимым от своего партнера в плане получения клеточной энергии, предполагает генетическое разделение труда, которое делает полученный лишайник более эффективным, сказал Трипп, тем самым, возможно, придавая экологическое преимущество.
Исследователи планируют расширить исследование, включив в него больше видов лишайников в будущем. Полученные результаты могут также вдохновить на новые исследования микробиома кишечника человека, сложной бактериальной колонии, которая симбиотически живет внутри каждого человека и, как было показано, влияет на различные аспекты здоровья..
«Последствия имеют далеко идущие последствия, учитывая, сколько симбиотических отношений мы наблюдаем в природе», - сказал Трипп, который также является доцентом кафедры экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Боулдере (EBIO). «Теперь мы можем расширить сферу наших исследований, чтобы искать геномные признаки коэволюции у других организмов».
Студенты CU Boulder помогли собрать геномную информацию, используя ресурсы секвенирования в Институте BioFrontiers CU. Соавторами нового исследования являются Кайл Киперс и Нолан Кейн из EBIO и Джеймс Лендемер из Нью-Йоркского ботанического сада.
Исследовательская программа «Измерения биоразнообразия» Национального научного фонда предоставила финансирование для исследования.