Medsebojno koristna simbioza gliv in alg se lahko takoj oblikuje • Alexander Markov • Znanstvene novice o "Elementih" • Evolucija, mikrobiologija, biotehnologija

Vzajemno koristna simbioza gliv in alg se lahko takoj oblikuje

Sl. 1. Shema vzajemno koristnega sodelovanja (obvezno medsebojno delovanje) Bakerjev kvas Saccharomyces cerevisiae in alge Chlamydomonas reinhardtii v okolju brez dostopa do zraka. Kvas hrani glukozo (C6H12O6) in proizvajajo ogljikov dioksid, ki je potreben za fotosintezo alg. Chlamydomonas obnoviti nitrit (NO2) in kvasovkam z amoniakom (NH3). Tako so alge potrebne za kvasovke kot vir dušika in kvas za alge kot vir ogljika. Poleg tega se zaradi izmenjave protonov med kvasom in algami v mediju ohranjajo optimalne pH vrednosti. Slika iz obravnavanega članka vZnanost

Verjamejo, da je treba medsebojno koristno (obojestransko koristno simbiozo) dveh vrst živih bitij oblikovati postopoma, kar je posledica dolgega soevolucije. Vendar pa so poskusi ameriških biologov pokazali, da lahko mnoge vrste gliv in enoceličnih alg formirajo medsebojne sisteme skoraj takoj, brez predhodnega obdobja medsebojnega prilagajanja in brez genskih sprememb. Za to morajo biti glive in alge v okolju, kjer bodo medsebojno edini viri potrebnih snovi, kot so ogljikov dioksid in amonij.Študija je potrdila hipotezo o "skladnosti z okoljem", v skladu s katero naj se vsi vzajemni sistemi v naravi ne bi interpretirali kot rezultat dolgega predhodnega soevolucije.

Obvezno (obvezno) Medsebojno povezovanje se nanaša na vzajemno koristne odnose med dvema vrstama, ki jih med seboj ne moremo obstajati. Šteje se, da se taki odnosi postopno oblikujejo v okviru dolgoročnega soevolucije in medsebojnega prilagajanja, "lapping" organizmov med seboj. Nedvomno je bilo v mnogih primerih tako (glej N. Provorov, E. Dolgikh, 2006. Metabolna integracija organizmov v sisteme simbioze).

Vendar pa daleč od vseh specifičnih medsebojnih razmerij med organizmi, ki jih opazujemo v naravi, so posledica dolgega soevolucije. To je dobro razvidno iz primerov uspešnega uvajanja – uvajanje vrst na območja zunaj njihovega naravnega območja. Vrste se lahko prilagajajo sosedom svojih ekosistemov že več milijonov let, nato pa po nesreči padejo v drugo skupnost – in se uspešno vključijo v njo, razvijajo nova živila, soočajo z novimi zajedavci itd.Iz tega sledi, da bi prilagoditve, ki zagotavljajo določene okoljske interakcije, ki jih najdemo pri proučevanju sodobnih ekosistemov, lahko sprva razvijamo za nekatere druge namene, nato pa v spremenjenih pogojih koristimo za izvajanje novih funkcij.

Seveda se vsaka vrsta ne more vključiti v novo okolje. Z uvedbo neke vrste sortiranja se pojavi, v katerem nekateri tujci korenijo na novem mestu, medtem ko drugi umrejo. Na tak ali drugačen način moramo priznati, da se lahko celovita in medsebojno povezana skupnost oblikuje ne le zaradi koevolovnega "mletja" vrst, ki gredo v milijonih let, temveč tudi zaradi izbire vrst, ki se dopolnjujejo in dobro sodelujejo med naključnimi migranti. skupaj To idejo, znano kot ekološko opremljanje (kar se lahko grobo prevede kot "ekološka skladnost" ali "ekološka selekcija"), je razvil znani ameriški ekolog Daniel Janzen od osemdesetih let prejšnjega stoletja.

Ali lahko obvezno-vzajemni sistemi, ki se ponavadi štejejo za nekaj podobnega apotheozi ​​koevolucije, oblikujejo po enakih mejah,to je brez kakršne koli soevolucije – preprosto zaradi naključne korespondence dveh naključno naletih vrst, ki pod določenimi pogoji ne morejo živeti brez drugega? Poskusi, ki jih izvajajo biologi na Univerzi Harvard (ZDA), omogočajo odgovor na to vprašanje pritrdilno.

Avtorji so delali z navadnim pekovskim plodnim kvasom. Saccharomyces cerevisiae in vsaj običajne enocelične klamidomone alg (Chlamydomonas reinhardtii). V naravi te vrste niso opazili v medsebojnih odnosih. V laboratoriju pa so postali neločljivo povezani hitro in enostavno, brez evolucije ali genetske modifikacije. Da bi to naredili, je bilo dovolj, da kvasovke in klamidomone brez zraka rastejo v okolju, kjer je glukoza edini vir ogljika, kalijev nitrit pa je edini vir dušika.

Shema medsebojnega odnosa med kvasom in klamidomonadom je precej preprosta (slika 1). Kvas hrani glukozo in proizvaja ogljikov dioksid, ki je potreben za fotosintezo klamidomonad (ne morejo uporabiti glukoze, vsebovane v mediju v klamidomonah).Alge zmanjšujejo dušik, tako da pretvorijo dušik v obliko (amonij), ki je na voljo za kvas. Torej, kvas zagotavlja klamidomonade z ogljikom, in klamidomonadi dobivajo kvas z dušikom. V takih razmerah nobena od vrst ne more rasti brez druge. To je obvezno medsebojno delovanje.

Avtorji so bili prepričani, da vzajemni sistem uspešno raste v številnih koncentracijah glukoze in nitritov, čeprav nobena od teh dveh vrst ne preživi pod temi pogoji. Le z zelo močnim zmanjšanjem koncentracije glukoze ali nitritov se stopnja mešane kulture ustavi.

Če odstranite sistem, to je, da mu omogočite dostop do atmosferskega CO2, se izkaže za skupnost, v kateri samo eden od udeležencev (kvasovke) ne more živeti brez drugega, medtem ko drugi udeleženec (klamidomon) ne potrebuje več prvega, ki bi preživel. Vendar pa tudi v tem primeru, klamidomonas raste bolje v prisotnosti kvasa kot brez njih (očitno, dodatni CO2ki jih izžareva kvas, je zanje dobro). Tako sistem ostaja vzajemni, čeprav iz algebnega vzajemnega delovanja ni več obvezno. Nobena vrsta ne preseli drugega.

Če se okolju doda amonij, dobimo nasprotno situacijo: zdaj kvas lahko živi brez alg (in jih sploh ne potrebujemo), medtem ko alge še vedno ne morejo živeti brez kvasa. To ni več vzajemnost, ampak komenzalizem (antagonizem alg). V tem primeru se kvas, ki se množi hitreje od alg, zapolni ves življenjski prostor, s čimer se klamidomonad izumira. Avtorji nakazujejo, da je stabilnost takšnih asimetričnih sistemov (v katerih je le eden od udeležencev močno odvisna od druge) določena razmerje med stopnjami razmnoževanja. Če se odvisna vrsta razmnožuje hitreje kot samostojna vrsta, je lahko sohabitacija dveh vrst stabilna; sicer lahko neodvisni pogled popolnoma nadomesti svojega partnerja.

Avtorji so izvedli podobne poskuse z drugimi vrstami klamidomonade in askomicete glivic. Izkazalo se je, da skoraj vse vrste kvasov v teh razmerah tvorijo obvezno-vzajemni odnos s klamidomonami. Res je, da je produktivnost (stopnja rasti) simbioznih kompleksov drugačna. Od česa je odvisnoni bilo mogoče ugotoviti: avtorji niso našli povezave s trendom kvasovk na kisikovo dihanje ali metabolizem brez kisika (fermentacija), niti z naravnimi habitati kvasovk, s hitrostjo razmnoževanja niti s stopnjo vpliva koncentracije nitritov na rast kvasa. Očitno je, da gre za nekatere druge značilnosti preučevanih vrst.

Encelična alga Chlorella je zavrnila vstop v medsebojni odnos s kvasom, ker se lahko prehranjuje z glukozo in v mešani kulturi izpodriva kvas. Niso začeli oblikovati obvezno-vzajemističnih kompleksov s kvasom alg Hansenula polymorpha, saj same vedo, kako uporabljati nitrit kot vir dušika. Še vedno pa je študija pokazala, da so najbolj različne vrste Ascomycetes in Chlamydomonas pripravljene za vstop v simbiozne odnose med seboj, ko so padle v primerne pogoje.

Dva klasična laboratorijska objekta so bila preizkušena iz večceličnih (natančneje, tvornih filamentnih hif) askomicetov. Neurospora crassa in Aspergillus nidulans. Obe vrsti sta sposobna obnoviti nitrit in zato ne oblikujeta obvezno-vzajemniških sistemov s klamidomonami.Vendar gensko spremenjeni sevi teh gliv, ki nimajo zmožnosti za uporabo nitritov, so na enak način kot kvas ušli v simbiozo z algami. Kot se je izkazalo, v tem primeru klamidomonadne celice pridejo v neposredni fizični stik s hifami glivic: pod mikroskopom vidimo, da so hifi obešene s klamidomonami, kot božično drevo (slika 2).

Sl. 2 Hyphae Neurospora crassa (na levi strani) in Aspergillus nidulans (na desni), ometane s simbioznimi algami. Slika iz članka v razpravi Znanost

Medsebojno razmerje med klamidomoni in kvasom, seveda, zahteva tudi vzpostavitev fizičnih stikov med celicami. To dokazuje dejstvo, da sistematično tresenje mešane kulture kvasovk in alg dramatično upočasni rast simbioznega sistema.

Avtorji s pomočjo elektronskega mikroskopa so zaznali tesne stike, ki tvorijo med celičnimi stenami. Aspergillus nidulans in Chlamydomonas reinhardtii, celična stena alg na mestih stika postane tanjša – morda pod delovanjem encimov, ki jih izloča gliva.

Podobni medcelični kontakti so značilni za klasične simbiozne sisteme gob in alg – lišaji.Askomiceti v času njihovega razvoja so mnogokrat vstopili v simbiozo z algami in cianobakterijami, ki so oblikovali lišaje. Skupine, ki tvorijo lišaj, so razpršene po filogenetskem drevesu Ascomycetes. To pomeni, da so se takšni evolucijski dogodki večkrat in neodvisno pojavljali v različnih evolucijskih linijah gliv (glej F. Lutzoni et al., 2001. Glavne glivične linije izhajajo iz lišajskih simbioznih prednikov). Očitno so ascomycetes kot celota "predisponirani" (predpripravljeni) za oblikovanje medsebojnih kompleksov z enojlicnimi algami. Poskusi ameriških znanstvenikov lahko razkrijejo zgodnje faze nastajanja takšnih kompleksov.

Vendar pa ne smemo preceniti podobnosti vzajemnih sistemov, pridobljenih v poskusu z lišaji. Vsaj, ker v večini lišajev samo glivična komponenta ne more živeti sam, medtem ko lahko fotosintetične komponente (enocelične alge in cianobakterije) praviloma živijo brez gliv. To pomeni, da lišaji niso obvezni-vzajemni sistemi. Da in pomanjkanje dostopa do atmosferskega CO2 Težava je, da se alge pogosto srečujejo v naravi. Glavna stvar v obravnavanem delu je prikaz splošnega načela.Študija je pokazala, da se lahko zavezni medsebojni razvoj razvije takoj, brez razvoja – preprosto zaradi dejstva, da so spremenjene razmere medsebojno odvisne od vrste. Seveda, da bi naredili nekaj resnično zapletenega in visoko integriranega, kot je lišaj, se razvije iz tako naglo oblikovane simbioze, ne moremo preprečiti milijonov let soevolucije.

Vir: Erik F. Y. Hom, Andrew W. Murray. Njihov inženiring dokazuje latentno sposobnost za medsebojno delovanje gljivičnih alg // Znanost. 2014. V. 345. str. 94-98.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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