Новости

May 22, 2023

Анализ генома Parmales, сестринской группы диатомей, показывает эволюционную специализацию диатомей от фаго.

Коммуникационная биология, том 6, номер статьи: 697 (2023) Цитировать эту статью 499 Доступ 5 Подробности об альтметрических метриках Отряд Parmales (класс Bolidophyceae) представляет собой незначительную группу пикоразмерных особей.

Биология связи, том 6, Номер статьи: 697 (2023) Цитировать эту статью

499 доступов

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Отряд Parmales (класс Bolidophyceae) представляет собой небольшую группу эукариотических морских фитопланктонов размером с пико, содержащую виды, клетки которых окружены пластинками кремнезема. Предыдущие исследования показали, что Parmales является представителем охрофитов и сестрой диатомовых водорослей (тип Bacillariophyta), наиболее успешной группы фитопланктона в современном океане. Таким образом, геномы пармалеев могут служить справочником для выяснения как эволюционных событий, которые различали эти две линии, так и геномной основы экологического успеха диатомовых водорослей по сравнению с более загадочным образом жизни пармалеев. Здесь мы сравниваем геномы восьми пармалеев и пяти диатомовых водорослей, чтобы изучить их физиологические и эволюционные различия. Предполагается, что пармалеи являются фаго-миксотрофами. Напротив, диатомовые водоросли утратили гены, связанные с фагоцитозом, что указывает на экологическую специализацию от фаго-миксотрофии к фотоавтотрофии на ранней стадии эволюции. Кроме того, диатомовые водоросли демонстрируют значительное обогащение наборов генов, участвующих в поглощении и метаболизме питательных веществ, включая железо и кремнезем, по сравнению с пармалеями. В целом, наши результаты предполагают сильную эволюционную связь между потерей фаго-миксотрофии и специализацией на окремненной фотоавтотрофной стадии жизни на ранних этапах эволюции диатомей после отделения от линии Parmales.

Отряд Parmales (класс Bolidophyceae) представляет собой группу эукариотических морских фитопланктонов пикоразмеров (2–5 мкм), клетки которых окружены окремненными пластинками1. Пармалеи широко распространены в океане, от полярных до тропических регионов, и относительно многочисленны в полярных и субарктических регионах2,3. Пармалеевые последовательности наиболее распространены в пикопланктонной фракции (0,8–5 мкм) данных метабаркодирования глобального океана из океана Тара и составляют не более 4% последовательностей фотосинтезирующих организмов и в среднем <1%2. В настоящее время описано всего 17 таксонов пармалеев3,4. Наблюдения SEM и TEM, молекулярная филогенетика и анализ фотосинтетических пигментов показали, что пармалеи принадлежат к Bolidophyceae (ochrophytes)5, который является сестринским таксоном диатомовых водорослей (тип Bacillariophyta). Bolidophyceae также содержит фотосинтезирующие голые жгутиковые размером с пико (называемые болидомонадами), которые в основном обитают в субтропических водах6. Недавний филогенетический анализ с использованием нескольких недавно выделенных штаммов показал, что виды болидомонад с жгутиками принадлежат к окремнённому и нежгутиковому роду пармалеев Triparma в пределах Bolidophyceae, что позволяет предположить, что жизненный цикл Triparma переключается между окремнёнными/нежгутиковыми и голыми/жгутиковыми стадиями2.

Диатомовые водоросли — относительно молодая группа одноклеточных эукариот, которые, по оценкам, возникли недалеко от границы триаса и юры (около 200 миллионов лет назад7). Несмотря на свою короткую историю эволюции, диатомовые водоросли представляют собой наиболее успешную группу фитопланктона в современном океане; они очень разнообразны (до 105 видов8) и вносят значительный вклад в первичную морскую продукцию, выполняя до 20% общего планетарного фотосинтеза. Считается, что диатомовые водоросли особенно успешны в динамичных средах, таких как районы апвеллинга, и было высказано предположение, что их экологический успех поддерживается такими характеристиками, как защита окремненных клеточных стенок9 и роскошное поглощение питательных веществ10. Однако, несмотря на успехи в понимании генома диатомей за последние два десятилетия, причины, лежащие в основе успеха диатомей в современных океанах, остаются плохо изученными. Чтобы понять экологический успех диатомей, необходима характеристика эволюции генов, связанных с физиологией, в этом таксоне.

Хотя пармалеи являются ближайшими родственниками диатомовых водорослей, они демонстрируют гораздо меньшую биомассу, видовое разнообразие и экологическое воздействие, чем их родственный таксон. Предполагаемый жизненный цикл пармалеев, который переключается между окремненными/нежгутиковыми стадиями и голыми/жгутиковыми стадиями, аналогичен предполагаемому происхождению диатомей2. Предковые диатомеи, возможно, были гаплоидными жгутиконосцами, которые образовывали окремненные диплоидные зиготы11. Митотическое деление зиготы могло происходить преимущественно с образованием центрических диатомей12, которые являются наиболее древней группой диатомей с диплоидной вегетативной стадией, производящей голые жгутиковые гаплоидные мужские гаметы для полового размножения13. Таким образом, ожидается, что сравнение пармалеев и диатомовых водорослей даст важные подсказки о различиях в их экологических стратегиях и эволюционных путях. На сегодняшний день доступны лишь ограниченные геномные данные о пармалеях14, а геномные особенности и эволюционные события, которые привели к различиям между пармалеями и диатомовыми водорослями, остались неизученными. В этом исследовании мы создали семь новых сборок генома пармалеев. Эти семь черновых геномов, один ранее определенный пармалеановый геном и пять общедоступных геномов диатомовых водорослей были использованы для проведения сравнительного анализа генома. Наши результаты очерчивают эволюционные траектории этих двух линий после их расхождения и соотносят их экологические особенности с их геномными функциями.