Simbiosis cecair dengan bakteria bercahaya bergantung kepada gen tunggal • Alexander Markov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Genetik, Evolusi

Simbiosis cumi dengan bakteria bercahaya bergantung pada gen tunggal.

Sotong Euprymna scolopes Glows disebabkan bakteria simbiotik yang hidup dalam "organ bercahaya" khas. Foto dari serc.carleton.edu

Beberapa jenis bakteria bersinar Vibrio fischeri hidup dalam simbiosis dengan ikan, yang lain dengan cumi-cumi. Ternyata keupayaan untuk menjajah organ-organ cumi-cumi yang bercahaya ditentukan oleh gen tunggal bakteria. Pemindahan gen ini dari kepelbagaian "squid" mikroba dari pelbagai "ikan" yang membawa kepada hakikat bahawa mereka memperoleh keupayaan untuk hidup dalam simbiosis dengan cumi-cumi. Rupa-rupanya, pada mulanya, bakteria bercahaya hidup dengan kerjasama hanya ikan, dan kemudian diperoleh oleh pemindahan mendatar gen baru, yang membolehkannya "berteman" dengan cumi juga.

Symbiosis dengan pelbagai mikroorganisma sangat meluas dalam kedua-dua haiwan dan tumbuh-tumbuhan (lihat pautan di bawah). Selalunya, organisma multiselular tidak secara automatik menerima simbol daripada ibu bapanya, tetapi entah bagaimana mereka dapat mencari dalam lingkungan dan "dijangkiti" dengan mereka pada permulaan hidupnya. Memandangkan pelbagai jenis mikroorganisma dalam semua habitat semulajadi, ia mudah difahamidalam keadaan seperti itu adalah ketepatan paling utama dari "pengiktirafan bersama" symbiote dan tuan rumah. Bagaimana mereka mencari satu sama lain, yang membolehkan mereka untuk mengelakkan kesilapan dalam memilih rakan kongsi?

Bakteria bercahaya Vibrio fischeri. Photo E. Nelson & L. Sycuro dengan laman microbewiki.kenyon.edu

Satu soalan yang sama timbul berkenaan dengan bakteria parasit di mana pada masa yang hampir sama bentuk parasitize pada tuan rumah sama sekali berbeza. Sebagai contoh, satu jenis bakteria Salmonella enterica Ia menjangkiti hanya manusia dan yang lain mempunyai pelbagai pihak yang luas – dari primat untuk tikus. Dalam kes ini, genom kedua-dua spesies yang hampir sama dengan satu sama lain. Semua percubaan untuk mencari di dalam genom mereka perbezaan utama yang memberi kesan kepada pilihan tuan rumah, tidak berjaya. Agak lebih baik halnya dengan kajian sistem simbiotik, di mana kedua-dua pihak (dan bukan sahaja bakteria) berminat untuk mengenali rakan kongsi yang tepat. Sebagai contoh, ia adalah mustahil untuk mentafsirkan mekanisme pengiktirafan bersama dalam persatuan simbiotik dengan kilang bakteria pengikat nitrogen (lihat:. NA Provorov, EA kewajipan organisma integrasi metabolik dalam sistem simbiosis.). Dalam kes ini, peranan penting yang dimainkan oleh bakteria isyarat bahan-bahan, yang dalam beberapa cara menjejaskan operasi gen dalam sel-sel akar tumbuhan tuan rumah.

Ahli biologi Amerika telah berjaya memecahkan sebahagian mekanisme untuk memilih pasangan untuk sepasang symbionts lain – cumi Pasifik Euprymna scolopes dan bakteria bercahaya Vibrio fischeri. Bakteria hidup dalam "organ bercahaya" khas cumi, yang terletak di bahagian bawah badan dalam rongga mantel.

Dua "lampu" terang pada rahang bawah ikan Monocentris japonicadihuni oleh V.fischeri, membantunya memburu dalam kegelapan. Foto dari flickr.com/photos/kactusficus

Bakteria Vibrio fischeri kawan bukan sahaja dengan cumi, tetapi juga dengan ikan Monocentris japonica, yang pada rahang bawah mempunyai dua "lampu" terang yang membantu memburu ikan dalam kegelapan. Untuk memahami gen yang memilih bakteria salah satu daripada dua tuan rumah, sotong atau ikan, bergantung pada, adalah perlu untuk membandingkan genom kedua-dua spesies bakterium ini.

Genom "spesies cumi-cumi" Vibrio fischeri telah dibaca lebih awal; genom baka "ikan" dibaca oleh pengarang artikel yang sedang dibincangkan. Genom kedua-dua strain mikrob bercahaya sangat serupa (persamaan 90% dalam set gen dan 98.8% dalam urutan asid amino protein).

Para penyelidik mendapati bahawa salah satu gen yang aktif bekerja Vibrio fischeri dalam tempoh penjajahan organ bercahaya cumi-cumi muda, dalam genom ketegangan "ikan" hilang.Kajian lanjut telah menunjukkan bahawa gen ini (simbolnya – rscS) benar-benar memainkan peranan utama dalam komuniti bakteria dengan cumi-cumi. Gen rscS mengkodkan protein reseptor yang terletak pada membran sel, bertindak balas kepada beberapa isyarat luaran dan menghantarnya ke dalam sel, mengaktifkan protein pengawalseliaan yang lain, faktor transkripsi SypG. Sebaliknya, SypG merangsang aktiviti sekumpulan gen yang menyandikan protein yang diperlukan untuk sintesis polisakarida tertentu, yang berasal dari sel bakteria dan terletak pada permukaan luarnya. Keupayaan bakteria untuk membiak dalam lendir yang disembur oleh badan cumi-cumi yang bercahaya bergantung kepada polisakarida ini.

Untuk menguji keupayaan strain yang berbeza V. fischeri untuk masuk ke dalam simbiosis dengan cumi-cumi, para penyelidik membasuh cumi-cumi kecil, baru-baru ini menetas di dalam air yang disterilkan dengan penyelesaian yang mengandungi pelbagai jenis mikrob bercahaya. Sejumlah 12 "cumi-cumi" dan 10 "ikan" telah diuji, dan "cumi-cumi" diambil dari dua jenis cumi-cumi. Seperti yang dijangkakan,semua "cumi-cumi" berjaya menetap di dalam organ-organ cacing yang menyala (cecair tidak lama lagi mula bercahaya), sedangkan hanya satu yang berjaya mengeluarkannya daripada "ikan". Semua baris kemudiannya diperiksa untuk kehadiran gen. rscS. Ternyata gen ini terdapat dalam dua variasi allelic (rscSA dan rscSB), dengan alel sahaja rscSA membolehkan bakteria memasuki simbiosis dengan cumi-cumi. Ia adalah varian gen ini yang terdapat dalam semua "cumi-cumi" dan dalam "ikan" terikan yang telah berjaya menjalin hubungan dengan cumi-cumi. Semua jenis "ikan" yang lain mempunyai sama ada varian kedua gen (rscSB), atau gen sama sekali tidak wujud (seperti dalam "ikan", genomnya telah dibaca sepenuhnya oleh penulis).

Memastikan kehadiran alel rscSA pada V. fischeri adalah keadaan yang perlu dan mencukupi untuk simbiosis dengan cumi-cumi, penyelidik menjalankan satu siri eksperimen kejuruteraan genetik. Mereka melumpuhkan gen ini dalam strain "cumi" – dan bakteria kehilangan kemampuan hidup dalam kerjasama dengan cumi-cumi. Mereka memperkenalkan gen menjadi "ikan" strain – dan mereka memperoleh keupayaan ini. Oleh itu, andaian disahkan sepenuhnya.

Malangnya ikan Monocentris japonica sehingga ia boleh dikeluarkan dari kaviar di makmal, dan oleh itu tidak mungkin untuk mendapatkan goreng sengaja. Ini menghalang penyelidik dari menguji bagaimana gen terjejas. rscS keupayaan bakteria bercahaya untuk memasuki simbiosis dengan ikan.

Berdasarkan perbandingan urutan nukleotida tiga gen lain, para penyelidik membina pokok evolusi strain mikrob yang dikaji. Berdasarkan pokok ini, pada mulanya V. fischeri tidak mempunyai gen rscS dan hidup dalam simbiosis dengan hanya ikan. Kemudian satu daripada strain mikroba diperolehi gen ini. Semua strain mempunyai gen rscS, membentuk kumpulan monophyletik (berasal dari satu nenek moyang) di pokok itu. Ini bermakna gen hanya diperoleh sekali sahaja. Pada mulanya ia wujud hanya dalam satu versi – rscSA. Sesetengah keturunan mikroba yang mula-mula memperoleh gen baru meninggalkan bekas pemiliknya, ikan itu, dan bergerak ke simbiosis dengan cumi-cumi. Selepas itu, sesetengah daripada mereka kembali ke simbiosis dengan ikan, dan pulangan ini disertai dengan perubahan dalam gen rscS. Jadi versi kedua gen ini muncul – rscSByang sememangnya boleh meningkatkan "persefahaman bersama" antara mikrob dan ikan,walaupun pengesahan langsung terhadap andaian ini tidak mungkin disebabkan masalah yang disebutkan di atas dengan pencairan makmal Monocentris japonica.

Di manakah bakteria bercahaya berasal? rscS? Secara teorinya, ia boleh diperolehi dalam dua cara. Sama ada gen lain dalam genom bakterium berlipat ganda, dan satu salinan kemudiannya mula menjalankan fungsi baru, atau gen dipinjam dari organisme lain melalui pertukaran genetik mendatar. Kemungkinan besar pilihan kedua, kerana dalam genom mikroba bercahaya tidak ada gen lain, agak serupa dengan rscS (iaitu gen-gen yang mana rscS pada dasarnya boleh terjadi dengan menggandakan).

Para penulis mencatat bahawa ini adalah kes pertama yang diketahui apabila gen pengawalseliaan adalah "pelakon" utama dalam pengiktirafan bersama symbionts. Seperti yang disebutkan di atas, gen ini memulakan sintesis polisakarida tertentu sebagai tindak balas kepada beberapa isyarat luaran, sifatnya yang belum diketahui. Ada kemungkinan bahawa dalam peranan isyarat ini adalah bahan yang disembur oleh cumi. Sistem sintesis polysaccharides yang sama juga tersedia untuk mikrob lama sebelum pemerolehan gen rscS. Adalah mungkin bahawa dalam ketegangan ikan ia termasuk dalam tindak balas kepada bahan yang dirembeskan oleh ikan, tetapi lebih banyak penyelidikan diperlukan untuk menguji asumsi ini.

Sumber: Mark J. Mandel, Michael S. Wollenberg, Eric V. Stabb, Karen L. Visick, Edward G. Ruby. Satu gen pengawalseliaan yang mencukupi untuk mengubah julat hos bakteria // Alam. Advance penerbitan dalam talian 1 Februari 2009.

Mengenai simbiosis haiwan dan tumbuhan dengan bakteria, lihat juga:
1) Pemotong semut daun menjinakkan bakteria untuk melawan perosak, "Elemen", 1/25/2006.
2) Bakteria Symbiotik menggantikan cacing laut dengan organ pencernaan dan kotoran, Elemen, 19 September 2006.
3) Bedbugs memberi makan kepada anak-anak mereka dengan bakteria bermanfaat, Unsur, 13 Oktober 2006.
4) Mikroflora usus mengubah seseorang menjadi "superorganisme", "Elemen", 9.06.2006.
5) Untuk hidup, cacing laut dalam dijangkiti bakteria bermanfaat, "Unsur", 23.05.2006.
6) Bakteria Symbiotik membantu pepijat untuk membiak cendawan yang boleh dimakan, "Unsur", 09.10.2008.
7) Keupayaan aphids untuk menyesuaikan diri dengan turun naik suhu bergantung kepada bakteria simbiotik, Elemen, 13 April 2007.
8) Menukar gen yang diperlukan untuk simbiosis tumbuh-tumbuhan dengan kulat, membawa kepada pembentukan simbiosis dengan bakteria penentuan nitrogen, "Elemen", 12.03.2008.

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: :???: :?: :!: