Микроскопический симбиоз диатомовых водорослей и бактерий раскрывает секреты эволюции

Цепочка симбиотической диатомовой водоросли с азотфиксирующей цианобактерией-симбионтом. В светлом поле (вверху) симбионт незаметен внутри хозяина, тогда как при эпифлуоресценции (внизу) нити симбионтов (стрелки) легко различимы. Автор: доктор Весна Груйчич.

Исследователи из Стокгольмского университета в сотрудничестве со Шведским университетом сельскохозяйственных наук и Университетом Линнея опубликовали в журнале Current Biology исследование, показывающее, как микроскопический альянс между водорослями и бактериями демонстрирует поэтапные снимки того, как бактерии теряют гены и адаптируются к возрастающей зависимости от хозяина.

В самых бедных питательными веществами водах океанов крошечные партнерства, называемые симбиозами, между микроскопическими диатомовыми водорослями и цианобактериями рода Richelia, усердно работают, поддерживая жизнь. Основная роль цианобактерий — снабжать своих хозяев-диатомей азотом, который они извлекают из воздуха и преобразуют в пригодную для использования форму.

Континуум интеграции

Физическое взаимодействие Richelia со своими хозяевами широко варьируется: некоторые живут снаружи хозяина, другие — в пространстве между внешней клеточной стенкой диатомеи и внутренней клеточной мембраной, а некоторые — полностью внутри. Этот «континуум» интеграции отражает различные стадии партнерства и предоставляет уникальную возможность изучить эволюционный процесс в разные моменты времени их взаимоотношений.

Цепочка симбиотической диатомовой водоросли Hemiaulus hauckii с её азотфиксирующим цианобактериальным симбионтом Richelia euintracellularis (желтые нити). Автор: Сепехр Барди

Геномы в переходном состоянии

Используя сравнительный геномный подход, доктор Весна Груйчич идентифицировала, что несколько геномных особенностей различных Richelia отражают ключевые переходные стадии эволюционного процесса. По мере того как Richelia становятся более зависимыми от своих хозяев, набор генов, которые они несут, сильно меняется — исчезают одни гены и остаются другие.

«Меня больше всего восхищает в этом исследовании то, что разные шаги на пути к полностью интегрированному симбионту существуют одновременно. Это позволило нам изучить генетику того, как произошла эволюция в сторону образа жизни, характеризующегося полной зависимостью симбионта от своего хозяина», — говорит Даниэль Лундин из Университета Линнея.

Эпифлуоресцентные изображения симбиотических диатомей открытого океана с их азотфиксирующими цианобактериальными симбионтами. Симбионты автофлуоресцируют желтым, а хлоропласты диатомей флуоресцируют красным. Существует континуум интеграции, где симбионты находятся внутри (эндобионт, слева), в переходном состоянии (частично эндобионты, в центре) или прикреплены (эпибионты, справа). Автор: Рейчел А. Фостер

Роль «прыгающих генов»

Исследователь Тео Виджил-Стенман охарактеризовал все последовательности вставок и транспозоны — фрагменты ДНК, известные как «прыгающие гены», поскольку они могут перемещать генетическую информацию внутри генома. Было обнаружено, что геномы частично интегрированных симбионтов заполнены последовательностями вставок, которые увеличивают размер их генома.

Модель для изучения эволюции в действии

Исследовательская группа предполагает, что эти симбиозы диатомей и Richelia представляют ценную модель для изучения эволюции генома симбионтов. Работа предлагает уникальный взгляд на эволюцию в действии, поскольку известно мало примеров симбиозов, застигнутых на переходных стадиях.

Больше информации: Vesna Grujcic et al, Stepwise genome evolution from a facultative symbiont to an endosymbiont in the N₂-fixing diatom-Richelia symbioses, Current Biology (2025). DOI: 10.1016/j.cub.2025.08.003