Aliengene halfen den Diatomeen zum Erfolg • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Genetik, Mikrobiologie, Evolution

Alien-Gene haben dazu beigetragen, dass Kieselalgen erfolgreich sind

Pentat Kieselalge Phaeodactylum tricornutum. Foto von upload.wikimedia.org

Kieselalgen erschienen relativ kürzlich auf geologischen Zeitskalen, jedoch gelang es ihnen, eine der wichtigsten Gruppen photosynthetischer Organismen auf dem Planeten zu werden. Kieselalgen-Analyse Phaeodactylum zeigten, dass der erstaunliche evolutionäre Erfolg von Kieselalgen größtenteils auf ihrer Fähigkeit beruht, nützliche Gene von Bakterien zu borgen.

Ein großes internationales Team von Wissenschaftlern berichtete in der letzten Ausgabe der Zeitschrift. Natur über das Lesen des Kieselalgengenoms Phaeodactylum tricornutum. Dies ist die zweite Art von Kieselalgen, deren Genom lesbar war (das erste im Jahr 2004 wurde veröffentlicht Thalassiosira). Diatomeen werden in zentrische und pentate unterteilt (siehe Abbildungen), mit Thalassiosira bezieht sich auf die erste Gruppe, und Phaeodactylum – zum zweiten.

Das Interesse der Forscher an Kieselalgen ist nicht zufällig: Nach groben Schätzungen machen diese einzelligen Algen etwa 20% der gesamten Primärproduktion der Biosphäre aus. Kieselalgen sind fast allgegenwärtig: Sie kommen nicht nur in allen Meeren und Gewässern vor, sondern auch in extremen Lebensräumen wie Hochgebirgswüsten und antarktischem Eis.

Diatomeen – eine relativ junge Gruppe.Die ältesten Funde fossiler zentrischer Kieselalgen sind aus Jurasedimenten (vor etwa 180 Millionen Jahren) bekannt. Die pennaten Kieselalgen sind doppelt so jung: Sie sind nur aus der späten Kreide bekannt (vor 90 Millionen Jahren); während sie viel vielfältiger und zahlreicher sind als ihre zentrischen Vorfahren.

Vertreter der zentrischen (an der Spitze) und pentate Diatomeen. Bild aus dem Artikel: L. Medlin, P. Sims. Fast unsterblich und immer jung (Science First Hand, Nr. 4, 2006)

Mit zwei vollständigen Genomen der Kieselalgen konnten die Wissenschaftler eine Reihe wichtiger Schlüsse über die Entwicklung der Gruppe ziehen.

Vergleichende Merkmale der Genome zweier Arten von Kieselalgen:

Pentat Kieselalge PhaeodactylumZentrierte Kieselalge Thalassiosira
Genomgröße27,4 Millionen Basenpaare32,4 Millionen Nukleotidpaare
Anzahl der Gene1040211776
Die Anzahl der Gene, die in vielen Gruppen von Eukaryoten gefunden werden35234332
Die Anzahl der Gene, die in beiden Diatomeen gefunden wurden, und niemand sonst (die Zahlen in dieser Zeile sind aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Genduplikationen in den beiden Arten von Kieselalgen nicht identisch)13281407
Die Anzahl der für diese Spezies einzigartigen Gene43663912
Die Anzahl der Introns (nicht kodierende Inserts in Genen)816917880
Der Anteil mobiler genetischer Elemente – Retrotransposons der LTR-Klasse5,8%1,1%

Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen ist, dass die Entwicklung von Kieselalgen überraschend schnell war. Nur 57% der pennatalen Kieselalgengene fanden Homologe (eng verwandte Gene) im Genom der zentrischen Kieselalge. Die Aminosäuresequenzen von Proteinen in zwei Diatomeen stimmen nur um 54,9% überein. Zum Vergleich haben menschliche Proteine ​​und Fugu-Fische 61,4% der gleichen Aminosäuren, Menschen und Ascidien – 52,6%. So unterscheiden sich nach der Struktur der Proteine ​​zwei Kieselalgen mehr voneinander als Menschen von Fischen, aber weniger als Menschen von Unterkhordaten, die durch Ascidien repräsentiert werden. Die Entwicklungslinien von Säugetieren und Rochenfischen divergierten nach den verfügbaren Schätzungen vor etwa 450 Millionen Jahren, also viele hundert Millionen Jahre vor dem Auftreten von Diatomeen. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeiten der molekularen Evolution in Diatomeen um ein Vielfaches höher waren als bei Wirbeltieren.

Duplikationen (Verdoppelung) großer Fragmente des Genoms spielten bei der Evolution von Kieselalgen keine so wichtige Rolle wie bei Wirbeltieren (siehe: Das Lanzettengenom half, das Geheimnis des evolutionären Erfolgs von Wirbeltieren aufzudecken, Elements, 23.06.2008) Ein Merkmal der Evolution von zentrischen Diatomeen war der Erwerb (anscheinend relativ kürzlich) einer großen Anzahl neuer Introns – nicht codierende Inserts in den Genen.Pennatale Diatomeen hatten keine Massenverteilung von Introns, aber in ihren Genomen wuchsen mobile genetische Elemente – Retrotransposons – schnell (siehe Tabelle). Nach der Analyse zusätzlicher Daten zu anderen Arten von pennatalen Kieselalgen folgerten die Autoren, dass die Aktivität von Retrotransposons ein wichtiger Faktor für das Wachstum der Artenvielfalt dieser Gruppe war. Die Retrotransposons springen von Ort zu Ort innerhalb des Genoms und können die Aktivität benachbarter Gene beeinflussen und zum Wachstum der genetischen Variabilität beitragen.

Diatomeen mit braunen und goldenen Algen und einigen anderen Eukaryoten sind Teil der Heteroconta-Gruppe. Es wird angenommen, dass Heterokonten vor etwa 1 Milliarde Jahren als Folge der Symbiose eines heterotrophen (nicht-photosynthetischen) einzelligen Organismus mit einer einzelligen roten Alge auftraten. In Rotalgen, wie in grünen Pflanzen, sind Chloroplasten (Organellen, die der Photosynthese dienen) primär, dh sie stammen direkt von symbiotischen Cyanobakterien ab. Primäre Chloroplasten sind immer von zwei Membranen umgeben. Die Vorfahren des Heterokontors schluckten eine einzellige rote Alge und verwandelten sie in einen photosynthetischen Symbionten.Von der roten Algenzelle blieb bis auf die äußere Schale und den Chloroplasten fast nichts übrig. Die Gene der symbiotischen Rotalgen wurden teilweise verloren, teilweise auf das Wirtsgenom übertragen. Daher werden Chloroplasten heterocont als "sekundär" bezeichnet, und sie sind nicht von zwei umgeben, sondern von vier Membranen (zwei davon sind innere – das ist die Schale des primären Chloroplasten, die dritte ist von innen – die ehemalige Membran der roten Algenzelle, und die vierte, äußere – ist die Membran der Vesikel-Vacoli, in denen wurde Rotalgen geschluckt).

Die Autoren testeten diese Theorie mit einer gezielten Suche in den Genomen von Diatomeen von Genen, die den Genen von Rotalgen ähneln. Die Suche war von Erfolg gekrönt: Mehr als 170 Gene, die von den Vorfahren der Kieselalgen aus Rotalgen vererbt wurden, wurden entdeckt. Die überwiegende Mehrheit dieser Gene ist für die Arbeit von Chloroplasten notwendig. Dieses Ergebnis ist ein sehr gewichtiges Argument für die Tatsache, dass die gegenwärtigen Ideen über die frühe Evolution von Eukaryoten im Allgemeinen korrekt sind.

Es gibt auch eine große Anzahl von einzigartigen Genen in den Genomen von Diatomeen, die keine Analoga in anderen lebenden Organismen haben. Viele dieser neuen Gene sind durch das Duplizieren und Mischen von Fragmenten alter Gene entstanden.Offensichtlich war die Aktivität mobiler genetischer Elemente, Retrotransposons, eine wichtige treibende Kraft dieser Rekombinationen.

Zentrierte Kieselalge Thalassiosira. Das Genom dieser Seetang wurde 2004 gelesen. Fotos von blocs.xtec.cat

Das Erstaunlichste ist, dass in den Genomen von Kieselalgen viele Gene gefunden wurden, die eindeutig von Diatomeen aus verschiedenen Prokaryoten stammen: Cyanobakterien, Proteobakterien, Archaeen und anderen. Im Genom Phaeodactylum 587 solcher geborgten Gene wurden gefunden. Heute ist es eine Rekordzahl von prokaryotischen Genen, die im eukaryotischen Genom vorkommen. Mehr als die Hälfte dieser Gene (56%) haben auch Thalassiosira. Höchstwahrscheinlich wurden diese Gene lange Zeit von Diatomeen aus Bakterien übernommen – noch bevor sich die evolutionären Linien von zentrischen und pennaten Diatomeen divergierten. Die restlichen 44% wurden offenbar von Vorfahren übernommen Phaeodactylum schon nach diesem Ereignis, also in den letzten 90 Millionen Jahren.

Bakterielle Gene erweiterten offensichtlich die biochemischen Fähigkeiten von Diatomeen erheblich. Diese Gene helfen Diatomeen, eine Reihe biochemischer Reaktionen durchzuführen, die für andere Eukaryoten nicht charakteristisch sind.Darüber hinaus sind sie an der Konstruktion von filigranen Feuersteinschalen beteiligt – der wichtigsten "Visitenkarte" der Diatomeen, die in vielerlei Hinsicht ihren evolutionären Erfolg sicherstellten. Diatomeen "liehen" auch viele Gene von Rezeptor- und Signalproteinen von Bakterien, mit denen Bakterien Signale aus der Umwelt wahrnehmen und darauf reagieren. Unter den von Bakterien entliehenen Rezeptoren gibt es sogar mehrere lichtempfindliche Proteine, aufgrund derer Kieselalgen auf Lichtveränderungen reagieren können.

Die Autoren weisen darauf hin, dass der aktive Genaustausch zwischen Diatomeen und Bakterien einer der Hauptgründe für die rasche Evolution der Kieselalgen und ihren evolutionären Erfolg ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass der horizontale genetische Austausch eine wichtigere Rolle bei der Evolution von Eukaryoten (zumindest einzellig) zu spielen scheint als bisher angenommen.

Quelle: Bowler C., et al. Das Phaeodactylum-Genom zeigt die Evolutionsgeschichte von Diatomeen-Genomen // Natur. Online-Veröffentlichung am 15. Oktober 2008.

Siehe auch:
1) Linda Medlin, Pat Sims. Fast unsterblich und immer jung, Science First Hand, Nr. 4, 2006 (populärster Artikel über Diatomeen).
2) Algen konkurrieren um Harnstoff (populäre Synopse für den Artikel: L.V. Ilyash, E.V. Zapara.Konkurrenz von zwei maritimen Diatomeen für Stickstoff von Harnstoff und Nitraten bei drei Beleuchtungsstärken // Zeitschrift für Allgemeine Biologie. 2006. T. 67. S. 464-475.

Alexander Markow


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: