Обнаружена первая в мире азотфиксирующая органелла
Современные учебники биологии утверждают, что только бактерии могут забирать азот из атмосферы и переводить его в форму, пригодную для жизни. Растения, фиксирующие азот, например бобовые, делают это за счет содержания симбиотических бактерий в корневых клубеньках. Но недавнее открытие опровергает это правило.
В двух недавних работах международная группа ученых описывает первую известную азотфиксирующую органеллу внутри эукариотической клетки. Органелла является четвертым примером в истории первичного эндосимбиоза — процесса, при котором прокариотическая клетка поглощается эукариотической клеткой и развивается за пределы симбиоза в органеллу.
«Очень редко органеллы возникают из подобных вещей», — сказал Тайлер Коул, научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Крус и первый автор одной из двух недавних статей. «Когда мы впервые думаем, что это произошло, это дало начало всей сложной жизни. Все более сложное, чем бактериальная клетка, обязано своим существованием этому событию», — сказал он, имея в виду происхождение митохондрий. «Примерно миллиард лет назад то же самое произошло с хлоропластами, и это дало нам растения».
Третий известный случай связан с микробом, похожим на хлоропласт. Новейшее открытие — первый пример азотфиксирующей органеллы, которую исследователи назвали нитропластом.
Открытие органеллы потребовало немного удачи и десятилетий работы. В 1998 году Джонатан Зер, заслуженный профессор морских наук Калифорнийского университета в Санта-Крузе, обнаружил в морской воде Тихого океана короткую последовательность ДНК, которая, по-видимому, принадлежала неизвестной азотфиксирующей цианобактерии. Он и его коллеги потратили годы на изучение загадочного организма, который они назвали UCYN-A.
В то же время Кёко Хагино, палеонтолог из Университета Коти в Японии, кропотливо пыталась культивировать морские водоросли. Оказалось, что это организм-хозяин UCYN-A. Ей потребовалось более 300 экспедиций по отбору проб и более десяти лет, но в конечном итоге она успешно вырастила водоросль в культуре, что позволило другим исследователям начать совместное изучение UCYN-A и ее морской водоросли-хозяина в лаборатории.
В течение многих лет ученые считали UCYN-A эндосимбионтом, тесно связанным с водорослью. Но две недавние статьи предполагают, что UCYN-A эволюционировал вместе со своим прошлым симбиозом-хозяином и теперь соответствует критериям органеллы.
Изменение точек зрения
Хотя митохондрии и хлоропласты возникли миллиарды лет назад, нитропласты, судя по всему, появились около 100 миллионов лет назад, что дало ученым новый, более современный взгляд на органеллогенез.
Органелла также дает представление об экосистемах океана. Всем организмам необходим азот в биологически пригодной форме, и UCYN-A имеет глобальное значение благодаря своей способности фиксировать азот из атмосферы. Исследователи обнаружили его повсюду от тропиков до Северного Ледовитого океана, и он фиксирует значительное количество азота.
Это открытие может изменить сельское хозяйство. Способность синтезировать аммиачные удобрения из атмосферного азота позволила сельскому хозяйству и населению мира развиваться в начале 20-го века. Известный как процесс Габера-Боша, он позволяет производить около 50% продуктов питания в мире. Он также создает огромное количество углекислого газа: около 1,4% мировых выбросов приходится на этот процесс. На протяжении десятилетий исследователи пытались найти способ внедрить естественную фиксацию азота в сельское хозяйство.
«Эта система представляет собой новый взгляд на фиксацию азота и может дать ключ к пониманию того, как такую органеллу можно внедрить в сельскохозяйственные растения», — говорят ученые.
Но многие вопросы о UCYN-A и его водорослях-хозяевах остаются без ответа. Исследователи планируют глубже разобраться в том, как действуют UCYN-A и водоросли, и изучить различные штаммы.