Отримання генів пектіназ від протеобактерий різко прискорило видоутворення палочніков • Олена Наймарк • Новини науки на "Елементи" • Ентомологія, Еволюція, Генетика

Отримання генів пектіназ від протеобактерий різко прискорило видоутворення палочніков

Представники різних сімейств і підрядів палочніков, у яких були вивчені пектиназу. За годинниковою стрілкою, починаючи з лівого верхнього кута: калімантанскій палочник Aretaon asperrimus (Фото з сайту biolib.cz), каліфорнійський палочник Timema cristinae (Фото з сайту sciencebrainwaves.com), в'єтнамський палочник Ramulus artemis (Фото з сайту skorpione.de), Кордільерський палочник Peruphasma schultei (Фото з сайту insekten-kleinanzeigen.net), розовокрилий мускусний палочник Sipyloidea sipylus (Фото з сайту wikimedia.org)

Представники загону палочніков мають в своєму біохімічному арсеналі пектиназу – ферменти, що розщеплюють пектин. Порівнюючи гени пектіназ у палочніков і двох інших груп тварин (жуків-листоїдів і нематод), а також у різних бактерій, міжнародна група вчених виявила джерело цих генів. Паличники, як з'ясувалося, отримали гени пектіназ від своїх бактеріальних сусідів – гамма-протеобактерий, що мешкають в їх кишечнику і на їх кормових рослинах. Нове біохімічне властивість виявилося для рослиноїдних палочніков надзвичайно корисним: воно різко прискорило видоутворення, так що в підсумку сформувалася велика група, яка налічує близько 3000 видів. Це виключно наочний приклад формування таксона високого рангу – загону – після набуття нової ознаки,в даному випадку біохімічного і до того ж запозиченого у бактерій за рахунок горизонтального переносу генів.

Нове переконливий доказ горизонтального переносу генів (ГПГ) від прокаріотів до еукаріотів представили вчені з Інституту хімічної екології імені Макса Планка в Єні (Німеччина) зі своїми колегами з Інституту зоології та еволюційної біології Йенского університету, Інституту зоології та антропології Геттінгенського університету, Університету Ніцци (Франція ) і Національного китайського банку генів в Шеньчжені. Сам факт ГПГ від бактерій до еукаріотів вже не надто дивує: до теперішнього часу знайдено безліч наочних прикладів цього явища (Бактеріальні гени допомагають нематодам паразитувати на рослинах, "Елементи", 18.10.2010; Тварини обмінюються генами з паразитичними бактеріями, "Елементи", 05.09 .2007; Горизонтальний обмін генами заміняє коловраткам статеве розмноження, "Елементи", 07.06.2008). Новий приклад, крім надійного доведення факту горизонтального переносу від бактерій до еукаріотів, цікавий двома додатковими аспектами. По-перше, це випадок множинного незалежного ГПГ з подібною функцією; по-друге,для цього випадку добре обгрунтована ідея про вибуховий еволюції, яка привела до формування великого таксона високого рангу. Іншими словами, ми бачимо приклад становлення великого таксону після придбання корисного бактеріального гена.

Йдеться про вельми різноманітне загоні палочніков Phasmatodea, що об'єднує близько 3000 видів. Сучасні систематики поділяють їх на кілька підрядів і родин, найпримітивніший з яких Timematodea. Він включає один рід Timema з 20-30 видами. Паличники, а саме предки Timema, З'явилися приблизно 125 млн років тому, проте інтенсивне видоутворення в цій групі, судячи з молекулярною даними, відбувалося на початку кайнозою, 60 млн років тому. тоді до Timema додалися всі інші сімейства палочніков. Період їх активного видоутворення якраз збігається з бурхливим радіацією квіткових рослин.

У цьому збігу немає нічого дивного, адже палочники воліють сувору рослинну дієту. Вони смокчуть соки рослин, і для ефективного споживання цієї їжі їм необхідно вміти розщеплювати речовини міцних рослинних тканин – целюлозу і пектини. Зазвичай у комах цим займаються їх мікросімбіонти, що живуть в травному тракті. Але не завжди.Так, доведено, що у деяких груп комах є власні пектиназу (див. Pectinase), здатні розщеплювати пектин не гірше бактеріальних аналогів. До таких щасливих власників пектіназ відносяться представники жуків-листоїдів, довгоносиків і палочніков, а крім них власної пектіназной базою обзавелися деякі нематоди, що живуть в коренях рослин. Звідки пектиназу у цих груп?

На цей рахунок пропонуються дві очевидних гіпотези. Перша – пектіназние аналоги були у предків линяють (не будемо забувати, що пектиназу є у нематод і неспоріднених загонів комах); в ході еволюції у всіх ліній членистоногих, що вважають за краще білковий раціон, пектиназу зникли, залишившись лише у рослиноїдних фахівців. Друга гіпотеза – ГПГ, за рахунок якого віддалені групи тварин отримали пектіназние гени незалежно один від одного. Джерелом генів пектіназ могли бути різні групи бактерій. Ці гіпотези можна перевірити. Якщо вірна перша з них, то все пектиназу, наявні у нематод і комах, будуть подібні. Їх походження можна буде вивести з якоїсь однієї предковой лінії.Якщо ж вірна друга гіпотеза, то в походженні наборів пектіназ у трьох груп буде мало спільного: ймовірно, у них реконструюються два або три початкових кореня.

Вчені вибрали з бази генетичної інформації GenBank всі дані по нуклеотидних послідовностей пектіназ комах, додали власні дані, отримані по транскріптомам шести представників палочніков, чотири з яких вивчили найбільш ретельно. Вийшло близько 90 варіантів пектіназ. Потім їх порівняли між собою і з Пектиназа різних ліній бактерій. Результати порівняння показали, що пектиназу нематод, жуків-листоїдів і палочніков групуються окремо, і кожному кластеру відповідають свої специфічні бактеріальні пектиназу. Нематодниє пектиназу близькі до ферментам гамма і бета-протеобактерий, пектиназу жуків – до Пектиназа бактерій з типу Bacteroidetes, а палочніков – гамма-протеобактерий, не споріднених лініях носіїв нематодних пектіназ.

Філогенії генів пектіназ у комах, нематод і бактерій. паличники – зелений кластер, Листоїди – помаранчевий кластер, Нематоди – червоний кластер. Видно, що кожна група тварин близька до своєї бактеріальної лінії (вони показані синім). Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Це беззастережне свідчення незалежного придбання генів пектіназ від бактерій. Значить, сценарій початкового присутності пектіназ у спільних предків линяють тварин не підтверджується. Комахи і нематоди запозичили гени пектіназ, коли в них виникла необхідність і, швидше за все, волею завдяки щасливому випадку. Правовласниками цих генів були або бактерії-симбіонти, або вільноживучі бактерії, що населяють кормові рослини.

Пектиназу були знайдені у чотирьох з п'яти великих підгруп палочніков. Активність пектіназ в кожній з цих чотирьох підгруп має свої особливості, формуючи чіткі кластери. Іншими словами, за активністю пектіназ можна точно вказати, до якого сімейства належить досліджуваний представник палочніков, або, навпаки, для кожного представника палочніков можна передбачити набір його пектіназ. Але найцікавіше в цій картині присутність, а відсутність пектіназ у п'ятій підгрупи палочніков. Цією підгрупою є Timematidae, примітивні палочники.

Філогенії родинних палочника груп комах і наявність у них пектіназ (зелена область). У палочніков Timema пектіназ немає. Шкала внизу зліва вказує на час поділу гілок (в млн років тому). Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Вчені з повною підставою вважають, що пектіназние гени потрапили до палочника після становлення цього сімейства, але до початку інтенсивного видоутворення в цій групі. Timematidae існували протягом 60 млн років, користуючись послугами бактеріальних співмешканців, що розщеплюють пектин. Потім, після отримання від них гена / генів пектіназ в особисте користування, почалося бурхливе видоутворення палочніков. В результаті дуже швидко склалося сотні нових видів. Ці види об'єднуються в окремий загін. Але невідомо, як вчинили б систематики, якби з усіх палочніков їм були б відомі тільки Timema. Ймовірно, приєднали б до загону родинних ембій або тараканосверчков.

Але, так чи інакше, перед нами цілий різноманітний загін, який сформувався не в останню чергу в результаті придбання корисного біохімічного ознаки. Він дав їм можливість краще справлятися з рясною, але важкоперетравлюваної їжею. Даний ознака не склався поступово в ході еволюції, а був отриманий від бактеріальних сусідів за допомогою ГПГ.Ця подія – вдалий горизонтальний перенос генів – сталося в правильний час (радіація квіткових рослин) і у правильній групи (схильної до рослинного раціону).

джерело: Matan Shelomi, Etienne G. J. Danchin, David Heckel, Benjamin Wipfler, Sven Bradler, Xin Zhou & Yannick Pauchet. Horizontal Gene Transfer of Pectinases from Bacteria Preceded the Diversification of Stick and Leaf Insects // Scientific Reports. 2016. DOI: 10.1038 / srep2638.

Олена Наймарк


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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