Вчені розгадують, що стоїть за токсичним цвітінням водоростей

Особливий фотосинтетичний механізм характеризує одноклітинний організм, присутній у цвітінні водоростей. Які клітинні механізми в одноклітинних морських водоростях відповідають за ініціювання токсичного цвітіння водоростей? Дослідницька група під керівництвом мікробіолога професора доктора Ральфа Рабуса з Університету Ольденбурга, Німеччина, провела перший детальний аналіз незвичайної клітинної біології Prorocentrum cordatum, широко поширеного у всьому світі виду групи динофлагелят, використовуючи як передову мікроскопію, так і підходи протеоміки.

Як повідомляє команда дослідників у науковому журналі Plant Physiology , процес фотосинтезу в цих мікроорганізмах організований у незвичній конфігурації, яка може допомогти їм краще адаптуватися до мінливих умов освітлення в океанах. Результати дослідження можуть сприяти кращому розумінню випадків шкідливого цвітіння водоростей, яке може почастішати через зміну клімату.

Динофлагелляти є важливими організмами як у морських, так і в прісноводних екосистемах. Ці одноклітинні організми складають значну частку вільноживучого фітопланктону, який утворює основу харчової мережі в океанах і озерах. Деякі види, включаючи Prorocentrum cordatum, можуть розмножуватися в теплих, багатих поживними речовинами водах і утворювати шкідливе цвітіння водоростей.

«Ми вивчали цей організм, тому що, незважаючи на його екологічну важливість, його клітинна біологія та метаболічна фізіологія все ще погано вивчені», — сказав Рабус. Окрім вивчення фотосинтезу мікроводоростей, дослідники також досліджували структуру їх клітинних ядер та їх реакцію на тепловий стрес у співпраці з командами з університетів Ганновера, Брауншвейга та Мюнхена та виклали результати у двох інших нещодавно опублікованих статтях. .

Передові методи візуалізації виявляють унікальні клітинні структури

Використовуючи потужний скануючий електронний мікроскоп зі сфокусованим пучком іонів у Мюнхенському університеті Людвіга-Максиміліана, команда під керівництвом Рабуса та провідного автора Яни Калвелаге з Інституту хімії та біології морського середовища (ICBM) змогла реконструювати три -просторова архітектура хлоропластів, де відбувається фотосинтез. Вчені змогли створити близько 600 шарів зображення однієї клітини водоростей, а потім об’єднати розділи, щоб створити тривимірне просторове зображення високої роздільної здатності одноклітинних організмів овальної форми, розмір яких зазвичай становить від 10 до 20 тисячних частинок. довжиною в міліметр. Аналіз показав, що Prorocentrum cordatum має лише один бочкоподібний хлоропласт, який займає 40 відсотків об’єму клітини.

Потім протеомний (білковий) аналіз виявив помітні відмінності між фотосинтетичним апаратом мікроводоростей і Arabidopsis thaliana, добре вивченої модельної рослини в генетичних дослідженнях. В обох видів фотосинтез відбувається в складних білкових структурах, вбудованих у розгалужену мембранну систему хлоропласта.

Проте в Prorocentrum cordatum команда помітила, що перетворення сонячної енергії в біохімічну відбувається в одній великій структурі, що складається з численних білків, відомих як «мегакомплекс», тоді як у хлоропластах видів рослин різні етапи фотосинтезу виникають у просторово розділених структурах. Команда також повідомила, що P. cordatum використовує велику кількість різних білків, що зв’язують пігмент, для ефективного захоплення сонячної енергії. «Це різноманіття є особливою адаптацією до мінливих умов освітлення, яким організм піддається в океанах», — пояснив Рабус.

Дослідження генетичної складності та адаптивності

Два інших дослідження, опублікованих минулого року, підкреслюють незвичайну біологію мікроводоростей: у першому німецько-австралійська команда, до якої також входили дослідники ICBM, виявила, що організми мають дуже великий геном з удвічі більшою кількістю пар основ, ніж у людини. Команда також виявила, що водорості змінюють свій метаболізм і швидкість їхнього росту сповільнюється у відповідь на тепловий стрес. У другій публікації команда на чолі з Рабусом і Калвелажем описала ядро ​​клітини більш детально, повідомляючи, що P. cordatum має 62 хромосоми, незвичайно велику кількість, яка заповнює майже все ядро ​​клітини. Команда зауважила, що функція значної частини ядерних білків, ідентифікованих дослідниками, наразі невідома.

«Ми дослідили, як ці важливі мікроводорості функціонують на молекулярному рівні. Ці висновки є основою для кращого розуміння його ролі в навколишньому середовищі», – підкреслив Рабус. Подальші дослідження можуть дати відповіді на такі питання, як метаболізм організму реагує на інші фактори стресу, і чому вид здатний адаптуватися до такого широкого діапазону умов навколишнього середовища, від умов тропіків до умов помірного клімату, пояснив він.