Определены группы генов, ассоциированные с многоклеточностью у водорослей

Рис. 1. Слева направо: представители трех основных групп водорослей — зеленая водоросль спирогира, красная водоросль Asparagopsis и бурая водоросль Ectocarpus. Фото с сайтов ru.wikipedia.org, en.wikipedia.org и commons.wikimedia.org

Международная группа ученых прочла более сотни новых геномов водорослей. Эти данные позволили провести тотальную «перепись» генов, давших разным группам водорослей возможность стать многоклеточными. Как выяснилось, у зеленых водорослей уже накопились генетические предпосылки для развития цветков и побегов, красные водоросли выиграли за счет новых метаболических решений, а к возникновению многоклеточности во всех группах водорослей причастны вирусы.

Многоклеточность возникала более двух десятков раз за историю живого мира — и среди этих событий рекордсменами по числу независимых обретений многоклеточности являются водоросли (A. Knoll, 2011. The Multiple Origins of Complex Multicellularity). Эта собирательная группа включает в себя фотосинтезирующих эукариот разного происхождения и морфологии, относящихся к группам архепластид и страменопилов — как одноклеточных, так и многоклеточных. Группа архепластид включает в себя линии красных и зеленых водорослей, при этом последние являются близкими родственниками наземных растений (рис. 2). В группе страменопилов возникли бурые водоросли.

Рис. 2. Современное филогенетическое дерево эукариот максимально крупным планом — настолько крупным, что мы оказываемся на нем в одном «листочке» с грибами. Заметно, насколько разные эволюционные группы водорослей далеки друг от друга — несмотря на внешнее сходство. Рисунок из статьи F. Burki et al., 2019. The New Tree of Eukaryotes, с изменениями (использованы материалы сервисов biorender.com и mindthegraph.com)

Каждая из этих линий представлена как одноклеточными, так и многоклеточными представителями, и «изобретала» многоклеточность независимо несколько раз. Рекордсменом по изобретению примитивных форм многоклеточности являются вольвоксовые зеленые водоросли — в этом относительно небольшом таксоне примитивная многоклеточность независимо возникла минимум 2 раза, а дифференцировка клеток — 4 раза! Но если посмотреть на сложную многоклеточность с образованием крупных талломов со сложным тканевым строением, то успехи окажутся более скромными — по одному возникновению у красных, бурых и зеленых водорослей. Красные и зеленые макроводоросли появились очень давно даже по геохронологическим меркам — более 1 млрд лет назад, а среди бурых водорослей такие формы появились лишь 200 млн лет назад — в самом начале юрского периода. До сих пор не решен вопрос, как дело было с наземными растениями — возможно, они «изобрели» многоклеточность отдельно от своих ближайших зелено-водорослевых родственников.

Так или иначе, разные группы водорослей конвергентно пришли к сходным многоклеточным формам. Такой сдвиг не мог не сопровождаться комплексными и масштабными генетическими изменениями. Возникает резонный вопрос: какими были эти изменения в разных, столь далеких, друг от друга, линиях водорослей? Насколько они были общими, а насколько различались?

Раньше ответить на этот вопрос мешал недостаток полных расшифрованных геномов водорослей — их было всего 14. Поэтому группе ученых из ОАЭ, Великобритании и США пришлось сначала секвенировать и собрать еще в общей сложности 110 геномов красных, зеленых и бурых водорослей. Такой большой набор данных был уже достаточным для статистического анализа. В ходе него ученые пытались выяснить, гены каких семейств и функциональных групп представлены в геномах макроводорослей в большем количестве, чем у микроводорослей. Подобное обогащение (или экспансия) генов указывает на их критическую необходимость для многоклеточности.

У всех трех линий многоклеточных водорослей — красных, зеленых и бурых — в процессе эволюции значительно «разросся» генетический аппарат, связанный с перестройкой клеточных мембран и цитоскелета, установлением полярности клетки и специализацией клеток в сосудистой ткани. Эти процессы — самые фундаментальные для многоклеточного организма, так что и соответствующие геномные изменения ожидаемы. Все три линии водорослей также расширили арсенал транспортеров аминокислот с разветвленной цепью — белков, переносящих разветвленные аминокислоты через клеточную мембрану. Такое изменение также характерно для многоклеточных организмов, где затраты энергии и поглощение питательных веществ пространственно разделены.

Бурые водоросли в процессе развития приобрели дополнительные гены, относящиеся к «развитию многоклеточного организма» по классификации проекта «Генная онтология» — что, в общем, тоже выглядит довольно очевидным. Красные водоросли отличаются от своих одноклеточных «собратьев» большим количеством транспортеров ионов хромата и цинка. Это объясняет высокую концентрацию цинка в красных водорослях, но какое отношение это имеет к многоклеточности, пока неясно. Зато зеленые водоросли, на первый взгляд, продемонстрировали неожиданное богатство генетического репертуара по сравнению с одноклеточными родственниками. В процессе эволюции многоклеточных форм они обогатились генами, гомологи которых у зеленых растений участвуют в развитии цветка, формировании побега и даже реакции на жасмоновую кислоту — один из мощнейших гормонов растений. Красные водоросли, правда, тоже даром времени не теряли и обзавелись большим количество генов, связанных с обменом полисахаридов. Они необходимы для формирования и распада межклеточного матрикса, без которого любой многоклеточный организм был бы просто кучкой клеток, более немощной, чем самый примитивный слизевик.

Может показаться, что природа уже имела какой-то план на создание наземных растений и заранее запаслась соответствующими генами, но это не совсем так. Правильнее сказать, что зеленые растения в процессе своей эволюции использовали генетические «наработки», оставшиеся с предыдущих этапов развития и первоначально возникшие лишь для поддержания многоклеточности как таковой — просто их функции проаннотированы в базах данных по самому яркому их проявлению, которое нам довелось наблюдать. То, что зеленые водоросли в обсуждаемой работе выглядят так интересно, а красные и бурые водоросли более «скучно», не должно сбивать с толку — просто по чистой биологической случайности именно родственники зеленых водорослей стали предками наземных растений. Если бы реализовался альтернативный сценарий и такое случилось с красными водорослями — они наверняка представлялись бы нам нашпигованными генами развития цветка и реакции на фитогормоны. Ведь с самими цветками нас познакомили бы «красные» растения.

Пожалуй, самое интересное в этой работе — то, что часть генетического аппарата для поддержания многоклеточности могла быть привнесена в разные группы водорослей древними вирусами, которые их когда-то заражали и оставили фрагменты своей ДНК в их геномах. Родственники этих вирусов продолжают поражать водоросли и поныне — что напоминает ситуацию с ретровирусами, когда-то подарившими нам способность формировать плаценту и запоминать информацию — а сейчас вызывающими лейкемию и СПИД.

В заключение отметим, что любое исследование такого масштаба, сопровождающееся прочтением сотен геномов, порождает колоссальный объем данных, который не описать в одной статье. Обычно в работе, где секвенированные геномы представляются научному сообществу впервые, публикуются выводы на какую-нибудь «вкусную» тему типа многоклеточности, — но это лишь самая первая информация, которую можно вытянуть из таких данных. Возможно, уже в ближайшие годы биоинформатики обнаружат новые закономерности в этом массиве геномов — и мы получим новые интригующие сведения о том, как мир становился многоклеточным.

Источник: David R. Nelson, Alexandra Mystikou, Ashish Jaiswal, Cecilia Rad-Menendez, Michael J. Preston, Frederik De Boever, Diana C. El Assal, Sarah Daakour, Michael W. Lomas, Jean-Claude Twizere, David H. Green, William C. Ratcliff, Kourosh Salehi-Ashtiani. Macroalgal deep genomics illuminate multiple paths to aquatic, photosynthetic multicellularity // Molecular Plant. 2024. DOI: 10.1016/j.molp.2024.03.011.

Георгий Куракин