Ученые нашли ключевой регулятор адаптации микроводорослей к низкому уровню CO₂

Концептуальная модель адаптации N. oceanica к низкому содержанию CO₂, опосредованной NO24G02310. Автор: Plant Communications (2025). DOI: 10.1016/j.xplc.2025.101534

Морские микроводоросли играют ключевую роль в углеродном цикле Земли, обеспечивая примерно половину глобальной первичной продукции планеты и ежегодно связывая десятки гигатонн углерода в процессе фотосинтеза. Чтобы выживать и процветать в морской воде с низким содержанием диоксида углерода (CO₂), эти микроорганизмы полагаются на специализированные и эффективные механизмы концентрирования CO₂. В течение многих лет регуляторные факторы, запускающие активацию этих механизмов, оставались плохо изученными — до тех пор, пока недавние научные исследования не начали раскрывать эту биологическую загадку.

Группа исследователей из Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессных технологий Китайской академии наук идентифицировала специфическую модификацию гистонов как ключевой регулятор, управляющий адаптацией микроводорослей к условиям с низким содержанием CO₂. Их результаты опубликованы в журнале Plant Communications.

Исследование было сосредоточено на микроводоросли Nannochloropsis oceanica, имеющей промышленную ценность. Ученые отслеживали эпигеномную динамику водоросли при переходе из среды с содержанием CO₂ 5% в среду с содержанием всего 0,01% CO₂ — такое изменение было призвано имитировать условия естественной морской воды. Используя многомерные методы эпигеномного секвенирования, исследователи обнаружили, что глобальное метилирование ДНК у водоросли оставалось стабильным на уровне 0,13%, что эффективно исключило метилирование ДНК как основной драйвер реакции на низкий уровень CO₂.

В отличие от этого, метилирование гистона H3K4 — в частности, H3K4me2 — оказалось тесно связанным с 43,1% генов, которые реагируют на условия низкого содержания CO₂. Эти гены включают те, что критически важны для фотосинтеза и биогенеза рибосом — двух процессов, необходимых для выживания водоросли в условиях углеродного ограничения. Дальнейший анализ показал, что H3K4me2, по-видимому, регулирует транскрипцию генов, изменяя доступность хроматина — механизм, который согласуется с его ролью центрального регулятора адаптации к низкому CO₂.

«Самым большим сюрпризом стало то, как модификация гистонов, в частности H3K4me2, нацелена на метаболические пути, критически важные для использования CO₂», — сказал профессор Гун Яньхай, соавтор исследования. — «В течение многих лет мы подозревали, что эпигенетическая регуляция играет роль в этой адаптации. Но исключение метилирования ДНК и определение модификации H3K4 в качестве ключевого драйвера — это важный шаг в понимании того, как микроводоросли справляются с условиями низкого содержания CO₂».

Для проверки своих выводов команда использовала технологию редактирования генов CRISPR/Cas9. Они «выключили» ген NO24G02310, который кодирует H3K4 метилтрансферазу — фермент, ответственный за добавление метильных групп к H3K4. Модифицированные водоросли показали снижение скорости роста примерно на 22% и уменьшение биомассы на 15%. Кроме того, снизились уровни другой гистоновой модификации (H3K4me1), и изменилась геномная локализация H3K4me2 — что предоставило прямое доказательство роли H3K4me2 в адаптации к низкому CO₂.

Дальнейшие эксперименты выявили, что модификация H3K4 может действовать через два пути: регулируя ферментные сети и модулируя трансмембранные pH-градиенты хлоропластов. Оба механизма работают на оптимизацию использования водорослью доступного CO₂, повышая её выживаемость в условиях низкого содержания углерода.

Это исследование предлагает конкретные мишени для генной инженерии микроводорослей с целью повышения их способности к фиксации углерода. Это имеет значение для решения двух глобальных проблем: разработки устойчивых источников биоэнергии и смягчения последствий изменения климата за счет усиления секвестрации углерода, отметили исследователи.

Микроводоросли, такие как Nannochloropsis, уже широко используются в аквакультуре и производстве биотоплива. Понимание их механизмов адаптации открывает путь к созданию более эффективных штаммов для улавливания углекислого газа из атмосферы, что может стать одним из инструментов в борьбе с глобальным потеплением.