Gen alien membantu diatom untuk berjaya • Alexander Markov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Genetik, Mikrobiologi, Evolusi

Gen asing telah membantu diatom berjaya

Pentate diatom Phaeodactylum tricornutum. Foto dari upload.wikimedia.org

Diatom kelihatan agak baru pada skala masa geologi, namun, mereka berjaya menjadi salah satu kumpulan organisme fotosintesis yang paling penting di planet ini. Analisis genom Diatom Phaeodactylum menunjukkan bahawa kejayaan evolusi yang menakjubkan diatoms sebahagian besarnya disebabkan oleh kemampuan mereka untuk meminjam gen berguna daripada bakteria.

Pasukan saintis antarabangsa yang besar melaporkan dalam jurnal terkini. Alam mengenai membaca genom diatom Phaeodactylum tricornutum. Ini adalah jenis kedua alga diatom yang genomnya boleh dibaca (yang pertama pada tahun 2004 diterbitkan Thalassiosira). Diatom dibahagikan kepada centric dan pentate (lihat angka), dengan Thalassiosira merujuk kepada kumpulan pertama, dan Phaeodactylum – untuk yang kedua.

Kepentingan para penyelidik di dalam diatom bukannya tidak sengaja: menurut anggaran kasar, bahagian dari alga sel tunggal ini kira-kira 20% daripada jumlah pengeluaran utama biosfera. Diatoms hampir di mana-mana: mereka boleh didapati bukan sahaja di semua lautan dan badan air tawar, tetapi juga di habitat yang melampau seperti padang pasir gunung tinggi dan es Antartika.

Diatom – kumpulan yang agak muda.Penemuan paling fosil diatom fosil diketahui dari sedimen Jurassic (kira-kira 180 juta tahun yang lalu). Diatoms Pennate adalah dua kali lebih muda: mereka hanya diketahui dari Late Cretaceous (90 juta tahun yang lalu); sementara mereka lebih pelbagai dan lebih banyak daripada nenek moyang mereka.

Wakil-wakil dari centric (di bahagian atas) dan diatom pentate. Gambar dari artikel: L. Medlin, P. Sims. Hampir abadi dan sentiasa muda (Science First Hand, No. 4, 2006)

Setelah mempunyai dua genom lengkap diatom, saintis dapat menarik sejumlah kesimpulan penting mengenai evolusi kumpulan itu.

Ciri-ciri perbandingan genom dua spesies diatom:

Pentate diatom PhaeodactylumDiatom sentral Thalassiosira
Saiz genom27.4 juta pasangan asas32.4 juta pasangan nukleotida
Bilangan gen1040211776
Bilangan gen yang terdapat dalam banyak kumpulan eukariota35234332
Bilangan gen yang ditemui di kedua-dua diatom dan tidak ada orang lain (angka-angka dalam baris ini tidak sama kerana bilangan gen duplikasi yang berbeza dalam kedua-dua jenis diatom)13281407
Bilangan gen yang unik untuk spesies ini43663912
Bilangan introns (pemasukan bukan kod dalam gen)816917880
Perkadaran unsur genetik mudah alih – retrotransposon kelas LTR5,8%1,1%

Salah satu kesimpulan utama ialah evolusi diatom sangat cepat. Hanya 57% daripada gen diatom pennatal yang mendapati homolog (gen berkaitan erat) dalam genom diatom sentrik. Susunan asid amino protein dalam dua diatom bertepatan hanya dengan 54.9%. Sebagai perbandingan, protein manusia dan ikan fugu mempunyai 61.4% daripada asid amino, manusia dan ascidian yang sama – 52.6%. Oleh itu, menurut struktur protein, dua diatom lebih berbeza daripada satu sama lain berbanding manusia dari ikan, tetapi kurang daripada manusia dari chordates yang lebih rendah, yang diwakili oleh ascidium. Sementara itu, garis-garis evolusi mamalia dan ikan sirip sinar menyimpang, menurut anggaran yang ada, kira-kira 450 juta tahun lalu, iaitu beratus-ratus juta tahun sebelum penampilan diatom. Ini bermakna bahawa kadar evolusi molekul dalam diatom adalah beberapa kali lebih tinggi daripada pada vertebrata.

Duplikasi (dua kali ganda) serpihan besar genom tidak memainkan peranan penting dalam evolusi diatom seperti dalam vertebrata (lihat: Genom lancelet membantu mendedahkan rahsia kejayaan evolusi vertebrata, Elemen, 06.23.2008). Ciri-ciri evolusi diatom sentrik adalah pengambilalihan (nampaknya, agak baru-baru ini) sejumlah besar inovatif baru – sisipan bukan kod dalam gen.Diatoms Pennatal tidak mempunyai pengedaran massa intrung, tetapi dalam genom mereka genetik mudah alih unsur – retrotransposons – cepat berkembang (lihat jadual). Setelah menganalisis data tambahan mengenai jenis diatom penatalaksanaan lain, penulis menyimpulkan bahawa aktiviti retrotransposon merupakan faktor penting yang menyumbang kepada pertumbuhan kepelbagaian spesies kumpulan ini. Melompat dari tempat ke tempat di dalam genom, retrotransposon boleh menjejaskan aktiviti gen jiran dan menyumbang kepada pertumbuhan kebolehubahan genetik.

Diatom bersama dengan alga coklat dan emas dan beberapa eukariota lain adalah sebahagian daripada kumpulan Heteroconta. Adalah dipercayai bahawa heteroconts muncul kira-kira 1 bilion tahun yang lalu akibat simbiosis organisma sel tunggal heterotropik (non-fotosintesis) dengan alga merah sel tunggal. Dalam alga merah, seperti tumbuhan hijau, kloroplas (organel yang berfungsi untuk fotosintesis) adalah primer, iaitu, ia berasal dari cyanobacteria simbiotik. Kloroplas utama sentiasa dikelilingi oleh dua membran. Nenek moyang heterocontor menelan alga merah bersel satu dan menjadikannya symbiote fotosintesis.Seterusnya, hampir tidak ada sel alga merah, kecuali kulit luar dan kloroplas. Gen alga merah simbiotik sebahagiannya hilang, sebahagiannya – dipindahkan kepada genom tuan rumah. kloroplas oleh itu geterokont dipanggil "menengah", dan mereka dikelilingi tidak oleh dua tetapi dengan empat membran (termasuk dua dalaman – satu kloroplas utama shell, ketiga dari dalam – bekas sel sarung alga merah, dan keempat, luar – adalah shell gelembung-vacuoles, yang telah ditelan alga merah).

Penulis menguji teori ini dengan mengambil carian yang disasarkan dalam genom gen diatom, sama dengan gen alga merah. Carian itu dinobatkan dengan kejayaan: lebih daripada 170 gen yang diwarisi oleh nenek moyang diatom dari alga merah ditemui. Kebanyakan gen ini diperlukan untuk kerja kloroplas. Keputusan ini – hujah yang sangat berat memihak kepada idea-idea yang sedia ada hari ini mengenai evolusi awal eukariot secara umum betul.

Genom diatom juga mendapati sejumlah besar gen yang unik, yang unik dari organisma hidup yang lain. Kebanyakan gen baru ini telah timbul akibat daripada pertindihan dan pengedaran serpihan gen lama.Ternyata, aktiviti unsur genetik mudah alih, retrotransposon, adalah penggerak penting bagi rekombinan ini.

Diatom sentral Thalassiosira. Genom rumpai laut ini dibaca pada tahun 2004. Foto dari blocs.xtec.cat

Perkara yang paling menakjubkan adalah bahawa dalam genom diatom terdapat banyak gen yang jelas dipinjam oleh diatom dari pelbagai prokariote: cyanobacteria, proteobacteria, archaea dan lain-lain. Dalam genom Phaeodactylum 587 gen yang dipinjam telah dijumpai. Hari ini ia adalah bilangan rekod gen asal prokariotik yang terdapat dalam genom eukariotik. Lebih separuh daripada gen ini (56%) juga mempunyai Thalassiosira. Kemungkinan besar, gen ini dipinjam oleh diatom dari bakteria untuk masa yang lama – walaupun sebelum garis evolusi sentral dan diatom penanda divergen. Baki 44%, nampaknya, dipinjam oleh nenek moyang Phaeodactylum sudah selepas peristiwa ini, iaitu, dalam 90 juta tahun yang lalu.

Gen bakteria, nampaknya telah memperluaskan keupayaan biokimia diatom dengan ketara. Gen ini membantu diatom untuk menjalankan siri reaksi biokimia yang bukan ciri eukariota lain.Di samping itu, mereka terlibat dalam pembinaan shell cincin halus – "kad panggilan" utama diatom, yang dalam banyak cara memastikan kejayaan evolusi mereka. Diatom juga "meminjam" banyak gen reseptor dan memberi isyarat protein daripada bakteria, dengan cara yang bakteria melihat isyarat dari alam sekitar dan bertindak balas terhadapnya. Di antara reseptor yang dipinjam dari bakteria, terdapat beberapa protein berpotensi, yang mana diatom boleh bertindak balas terhadap perubahan dalam cahaya.

Penulis mencadangkan bahawa pertukaran gen aktif antara diatom dan bakteria adalah salah satu sebab utama evolusi cepat diatom dan kejayaan evolusi mereka. Hasilnya menunjukkan bahawa pertukaran genetik horizontal nampaknya memainkan peranan yang lebih penting dalam evolusi eukariot (sekurang-kurangnya unisel) daripada yang difikirkan sebelum ini.

Sumber: Bowler C., et al. Genoh Phaeodactylum mendedahkan sejarah evolusi genom diatom // Alam. Maju penerbitan dalam talian 15 Oktober 2008.

Lihat juga:
1) Linda Medlin, Pat Sims. Hampir abadi dan sentiasa muda, Tangan Pertama Sains, No. 4, 2006 (artikel yang paling popular mengenai diatom).
2) Algae bersaing untuk urea (sinopsis popular untuk artikel: L. V. Ilyash, E. V. Zapara.Persaingan dua diatom laut untuk nitrogen urea dan nitrat pada tiga tingkat pencahayaan // Jurnal Biologi Am. 2006. T. 67. ms 464-475.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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