Животные и фотосинтетики: симбиоз

Симбиотическая ассоциация между коралловыми полипами и одноклеточными водорослями – основа продуктивной и разнообразной экосистемы коралловых рифов. Немного о том, в каких направлениях идёт исследование этого явления можно узнать из этого поста.

У коралловых полипов нет специфических генов, ответственных за взаимодействие с симбионтами, и в этом процессе участвуют гены, активные и при существовании без симбионтов. Пока не совсем ясны механизмы, управляющие взаимодействием в симбиозе. Известны только отдельные примеры, в частности, одним из факторов, регулирующих рост симбионта, является длина волны света, и наличие в оргазме полипов белков, способных поглощать свет или излучать флуоресценцию может быть средством взаимодействия полипа с симбионтом. Симбионт также каким-то образом влияет на жизнедеятельность полипа. У полипов, существующих в симбиозе с водорослями, резко снижается репродуктивная функция при удалении симбиотических микроорганизмов

Во взаимодействии с микроорганизмами, в том числе, с симбионтами, у животных непосредственное участие принимают механизмы иммунитета. Как и у более высокоорганизованных животных, у кишечнополостных присутствуют различные рецепторы, распознающие молекулы, характерные для микроорганизмов (ассоциированные с микроорганизмами паттерны). У личинок коралловых полипов профиль экспрессии не сильно различается между колонизированными и неколонизированными симбионтами особями. Однако, если в эксперименте «заразить» тело личинки симбионтами, характерными для другого вида, происходит активация генов, связанных с врождённым иммунным ответом.

В симбиозе идёт активный обмен различными веществами, это источники углерода, азота, углеводы, холестерол, и другие соединения. Важным аспектом взаимодействия микроорганизма и полипа является процесс метаболизма азота. Симбионты обеспечивают эффективное получение азота из морской воды. В процессах передачи веществ между двумя организмами участвуют транспортные системы, которые задействованы в аналогичных процессах и в отсутствии симбионтов. Однако, профиль экспрессии таких генов может различаться у особей, содержащих симбионтов и свободных от них.

Хорошим модельным объектом для изучения этого типа симбиоза является гидра (Hydra), существующая в симбиозе с одноклеточными водорослями Chlorella. Клетки водорослей находят в клетках, участвующих в переваривании пищи и яйцеклетках гидры. В одной клетке гидры может содержаться до 50 клеток хлореллы, однако это количество снижается до 20 при культивировании гидры с симбионтами в лаборатории. Все водоросли в организме гидры являются потомками одной клетки.

При попадании в организм гидры, хлореллы инициируют фагоцитоз в клетках, которые они колонизируют. Вакуоли с симбионтами отделяются цитоскелетными структурами от остальных, содержимое которых подлежит перевариванию. Так образуются особые органеллы – симбиосомы. Гидра поддерживает количество клеток водоросли на стабильном уровне, влияя на деление хлорелл, выбрасывая их из клеток или переваривая. Водоросли передаются при почковании и содержатся в яйцеклетках, влияют на процесс их созревания и передаются потомству при половом размножении.

Одним их механизмов, которые использует хлорелла для взаимодействия с гидрой, является процесс секреции мальтозы – одна из особенностей симбиотических хлорелл. Хлореллы устойчивы к закислению, но, если оно происходит, как это может случиться при внутриклеточном переваривании, они начинают выделять больше мальтозы. С другой стороны, симбиотические хлореллы менее приспособлены к выживанию при воздействии неблагоприятных условий. Например, симбиотический штамм хлорелл A99 не способен к росту вне организма хозяина.

Только несколько видов гидр могут образовывать симбиоз с хлореллами. Интересно, что эти виды имеют самый малый объём генома среди гидр, что является одним из возможных следствий длительного сосуществования с симбионтами. Больший размер генома гидр, относящихся к остальным видам, обусловлен, в основном, повторами и транспозонами. При этом размер клеток (любых, а не только тех, которые заселены симбионтами) у гидр, содержащих симбионтов, меньше.

В этой ситуации вопросов значительно больше, чем ответов, и результат моей работы (этот пост) виделся мне совершенно иным, когда я начинала поиск материалов для него. Однако с ростом скорости и снижением цены методов исследования следует ожидать появления более конкретных сведений об этом процессе.