Các gen ngoại lai đã giúp diatoms thành công • Alexander Markov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Di truyền học, Vi sinh vật, Tiến hóa

Các gen ngoại lai đã giúp diatoms thành công

Pentat tảo cát Phaeodactylum tricornutum. Ảnh từ upload.wikimedia.org

Diatoms xuất hiện tương đối gần đây về quy mô thời gian địa chất, tuy nhiên, chúng đã trở thành một trong những nhóm sinh vật quang hợp quan trọng nhất trên hành tinh. Phân tích bộ gen Diatom Phaeodactylum cho thấy sự thành công tiến hóa đáng kinh ngạc của tảo cát phần lớn là do khả năng của họ mượn các gen hữu ích từ vi khuẩn.

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế lớn đã đăng trên tạp chí mới nhất. Thiên nhiên về việc đọc bộ gen của tảo cát Phaeodactylum tricornutum. Đây là loại tảo tảo thứ hai có bộ gen có thể đọc được (lần đầu tiên được xuất bản năm 2004) Thalassiosira). Diatoms được chia thành centric và pentate (xem hình), với Thalassiosira đề cập đến nhóm đầu tiên và Phaeodactylum – thứ hai.

Sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong tảo cát không phải là ngẫu nhiên: theo ước tính sơ bộ, tảo đơn bào chiếm khoảng 20% ​​tổng sản lượng chính của sinh quyển. Các tảo cát gần như có mặt khắp nơi: chúng không chỉ được tìm thấy ở tất cả các vùng biển và các vùng nước ngọt, mà còn được tìm thấy trong môi trường sống khắc nghiệt như sa mạc núi cao và băng Nam cực.

Diatoms – một nhóm tương đối trẻ.Những phát hiện cổ xưa nhất của tảo cát hóa thạch trung tâm được biết đến từ trầm tích kỷ Jura (khoảng 180 triệu năm trước). Tảo bẹ Pennate là hai lần còn trẻ: chúng chỉ được biết đến từ cuối kỷ Phấn trắng (90 triệu năm trước); trong khi chúng đa dạng hơn và nhiều hơn so với tổ tiên trung tâm của chúng.

Đại diện của trung tâm (ở đầu) và diatoms pentate. Hình ảnh từ bài viết: L. Medlin, P. Sims. Hầu như bất tử và luôn trẻ trung (Khoa học đầu tay, số 4, 2006)

Có lúc xử lý hai bộ gen hoàn chỉnh của các tảo cát, các nhà khoa học đã có thể rút ra một số kết luận quan trọng về sự tiến hóa của nhóm.

Đặc điểm so sánh của bộ gen của hai loài tảo cát:

Pentat tảo cát PhaeodactylumCentric tảo cát Thalassiosira
Kích thước bộ gen27,4 triệu cặp bazơ32,4 triệu cặp nucleotide
Số lượng gen1040211776
Số lượng gen được tìm thấy trong nhiều nhóm sinh vật nhân chuẩn35234332
Số lượng gen gặp phải trong cả hai loại tảo cát và không có ai khác (các số trong dòng này không giống nhau do số lượng sao chép gen khác nhau trong hai loại tảo cát)13281407
Số lượng gen duy nhất cho loài này43663912
Số lượng intron (chèn không mã hóa trong gen)816917880
Tỷ lệ các yếu tố di truyền di truyền – retrotransposons của lớp LTR5,8%1,1%

Một trong những kết luận chính là sự tiến hóa của tảo cát nhanh chóng đáng ngạc nhiên. Chỉ có 57% các gen diatom pennatal tìm thấy homologs (gen liên quan chặt chẽ) trong hệ gen của tảo cát trung tâm. Trình tự axit amin của protein trong hai tảo cát trùng với chỉ 54,9%. Để so sánh, protein của con người và cá fugu có 61,4% của cùng một axit amin, con người và ascidian – 52,6%. Vì vậy, theo cấu trúc của protein, hai tảo cát khác nhau hơn so với người đàn ông từ cá, nhưng ít hơn so với con người từ các chordate thấp hơn, được đại diện bởi ascidium. Trong khi đó, các dòng tiến hóa của động vật có vú và cá vây có tia vây, theo ước tính có sẵn, khoảng 450 triệu năm trước, có nghĩa là, hàng trăm triệu năm trước khi xuất hiện của tảo cát. Điều này có nghĩa là tỷ lệ tiến hóa phân tử trong tảo cát cao gấp vài lần so với các động vật có xương sống.

Sự sao chép (gấp đôi) các mảnh lớn của bộ gen không đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của tảo cát như ở động vật có xương sống (xem: Bộ gen của lancelet đã giúp tiết lộ bí mật thành công tiến hóa của động vật có xương sống, Elements, 06.23.2008). Một tính năng của sự tiến hóa của các tảo cát trung tâm là việc mua lại (rõ ràng, tương đối gần đây) của một số lượng lớn các intron mới – các chèn không mã hóa trong các gen.Các nguyên tử Pennatal không có phân bố khối lượng intron, nhưng trong bộ gen của chúng, các yếu tố di truyền di truyền – retrotransposons – nhanh chóng tăng sinh (xem bảng). Sau khi phân tích dữ liệu bổ sung về các loại diatoms khác, các tác giả kết luận rằng hoạt động của retrotransposons là một yếu tố quan trọng góp phần vào sự tăng trưởng của sự đa dạng loài của nhóm này. Nhảy từ nơi này đến nơi khác trong bộ gen, retrotransposons có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các gen lân cận và góp phần vào sự tăng trưởng của biến đổi di truyền.

Diatoms cùng với tảo nâu và vàng và một số sinh vật nhân chuẩn khác là một phần của nhóm Heteroconta. Người ta tin rằng heteroconts xuất hiện khoảng 1 tỷ năm trước đây là kết quả của sự cộng sinh của một sinh vật đơn bào dị hợp (không quang hợp) với một tảo đỏ đơn bào. Trong tảo đỏ, như trong thực vật xanh, lục lạp (bào quan phục vụ cho quang hợp) là chính, có nghĩa là, chúng bắt nguồn trực tiếp từ vi khuẩn cộng sinh cyanobacteria. Lục lạp nguyên sinh luôn được bao quanh bởi hai màng. Tổ tiên của heterocontor nuốt một tảo đỏ đơn bào và biến nó thành một hợp chất quang hợp.Sau đó, hầu như không có gì còn lại của tế bào tảo đỏ, ngoại trừ vỏ ngoài và lục lạp. Các gen của tảo đỏ cộng sinh đã bị mất một phần, một phần – được chuyển tới bộ gen chủ. Do đó, heterocont lục lạp được gọi là "thứ cấp", và chúng được bao quanh không phải bởi hai, nhưng bởi bốn màng (hai trong số chúng là nội bộ – đây là vỏ của lục lạp nguyên sinh, thứ ba là từ bên trong – màng cũ của tảo đỏ, và đã nuốt tảo đỏ).

Các tác giả đã thử nghiệm lý thuyết này bằng cách thực hiện một tìm kiếm được nhắm mục tiêu trong bộ gen của tảo cát của các gen tương tự như các gen của tảo đỏ. Việc tìm kiếm được đăng quang thành công: hơn 170 gen được thừa hưởng bởi tổ tiên của tảo cát từ tảo đỏ đã được phát hiện. Phần lớn các gen này là cần thiết cho công việc của lục lạp. Kết quả này là một lập luận rất nặng nề ủng hộ thực tế là những ý tưởng hiện tại về sự phát triển ban đầu của sinh vật nhân chuẩn nói chung là chính xác.

Ngoài ra còn có một số lượng lớn các gen duy nhất trong bộ gen của tảo cát, mà không có tương tự trong các sinh vật sống khác. Nhiều người trong số các gen mới này đã phát sinh như là kết quả của sự trùng lặp và xáo trộn các mảnh của các gen cũ.Rõ ràng, hoạt động của các yếu tố di truyền di truyền, retrotransposons, là một động lực quan trọng của những tái tổ hợp này.

Centric tảo cát Thalassiosira. Bộ gen của rong biển này đã được đọc vào năm 2004. Ảnh từ blocs.xtec.cat

Điều tuyệt vời nhất là trong bộ gen của tảo cát, đã tìm thấy rất nhiều gen đã được vay mượn rõ ràng bởi các chất tảo cát từ các sinh vật nhân chuẩn khác nhau: cyanobacteria, proteobacteria, archaea và những loại khác. Trong bộ gen Phaeodactylum 587 gen được mượn như vậy đã được tìm thấy. Hôm nay nó là một số lượng kỷ lục của các gen có nguồn gốc prokaryotic được tìm thấy trong hệ gen eukaryotic. Hơn một nửa số gen này (56%) cũng có Thalassiosira. Nhiều khả năng, các gen này được các vi khuẩn di truyền từ vi khuẩn mượn trong một thời gian dài – ngay cả trước khi các dòng tiến hóa của các nguyên tử trung tâm và pennate phân tách. 44% còn lại, dường như đã được tổ tiên mượn Phaeodactylum sau sự kiện này, đó là, trong 90 triệu năm qua.

Các gen vi khuẩn, rõ ràng, đã mở rộng đáng kể khả năng sinh hóa của tảo cát. Những gen này giúp tảo cát thực hiện một loạt các phản ứng sinh hóa không phải là đặc trưng của các sinh vật nhân chuẩn khác.Ngoài ra, họ còn tham gia vào việc xây dựng các vỏ đá lửa tinh tế – "thẻ gọi điện" chính của tảo cát, theo nhiều cách đảm bảo thành công tiến hóa của chúng. Diatoms cũng "mượn" nhiều gen của thụ thể và tín hiệu protein từ vi khuẩn, bằng phương tiện vi khuẩn nhận biết tín hiệu từ môi trường và phản ứng với chúng. Trong số các thụ thể vay mượn từ vi khuẩn, thậm chí còn có một số protein cảm quang, do đó các tảo cát có thể phản ứng với những thay đổi về ánh sáng.

Các tác giả cho rằng trao đổi gen hoạt động giữa các nguyên tử và vi khuẩn là một trong những lý do chính cho sự tiến hóa nhanh chóng của tảo cát và thành công tiến hóa của chúng. Kết quả cho thấy trao đổi di truyền ngang dường như đóng một vai trò quan trọng hơn trong sự tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn (ít nhất là đơn bào) so với trước đây được cho là.

Nguồn: Bowler C., et al. Bộ gen của Phaeodactylum cho thấy lịch sử tiến hóa của bộ gen diatom // Thiên nhiên. Cập nhật trực tuyến trước ngày 15 tháng 10 năm 2008.

Xem thêm:
1) Linda Medlin, Pat Sims. Hầu như bất tử và luôn trẻ, Khoa học đầu tiên tay, số 4, 2006 (bài viết phổ biến nhất về tảo cát).
2) Tảo cạnh tranh cho urê (tóm tắt phổ biến cho bài báo: L. V. Ilyash, E. V. Zapara.Cạnh tranh của hai tảo cát biển đối với nitơ urê và nitrat ở ba mức độ chiếu sáng // Tạp chí Sinh học tổng hợp. 2006. T. 67. trang 464-475.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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