Открытие нового вида цианобактерий изменило представление об эволюции фотосинтеза

Кислородная революция — событие, которое кардинально изменило биогеохимические циклы и направление эволюции на Земле. Причиной нарастания концентраций кислорода в воде и атмосфере стало появление фотосинтеза у цианобактерий. Их ближайшие родственники не способны к оксигенному фотосинтезу, поэтому в поисках разгадки его появления приходится обращаться к корням филогенетического древа цианобактерий. Более 99,9% всех цианобактерий относятся к кладе Phycobacteria. О второй кладе, Gloeobacteria, до недавнего времени включавшей только два вида, известно очень мало. Предположительно она отделилась от Phycobacteria два миллиарда лет назад. Изучая представителей Gloeobacteria, ученые надеются восстановить раннюю эволюцию цианобактерий.

Международная группа ученых открыла и культивировала еще один вид, принадлежащий к Gloeobacteria, — Anthocerotibacter panamensis. Эти бактерии изолировали из роголистника, растущего в тропических лесах Панамы. Согласно филогенетическому анализу, ближайшими родственниками нового вида оказались некультивируемые организмы из арктических и антарктических образцов, которые тоже относят к Gloeobacteria. Геном A. panamensis секвенировали.

Как и у остальных представителей Gloeobacteria, у A. panamensis отсутствуют тилакоиды — мембранные цистерны, в которых происходят светозависимые реакции фотосинтеза. Авторы исследования предположили, что тилакоиды появились у Phycobacteria после разделения двух клад. Также у A. panamensis нет генов циркадных часов цианобактерий.

Известные представители Gloeobacteria пурпурного или коричневого цвета, а новый вид — сине-зеленого. Анализ спектров поглощения и эмиссии показал, что это связано с отсутствием у A. panamensis фикоэритрина и фикоэритроцианина.

Каротиноиды, которые защищают организм от повреждения солнечным светом, у нового вида синтезируются по «растительному пути». Этот путь задействует три фермента для превращения фитоена в ликопин и характерен для всех растений и цианобактерий, кроме Gloeobacteria. У ранее известных представителей этой клады синтез происходил по «бактериальному» пути, где используется только один фермент из трех. Поэтому авторы работы предположили, что общий предок Gloeobacteria и Phycobacteria должен был получать каротиноиды по «растительному пути».

Для представителей Gloeobacteria в целом характерно отсутствие некоторых высококонсервативных генов фотосистем, но у A. panamensis таких генов еще меньше. Несмотря на это, новый вид — фотоавтотроф и способен расти на среде без источников углерода, хоть и медленнее, чем другие цианобактерии. Он также выделяет кислород; все это доказывает, что, несмотря на отсутствие ряда генов, A. panamensis способен к полноценному фотосинтезу.

Один из авторов исследования, Фэй-Вэй Ли, доцент Института Бойса Томпсона (США), подчеркивает, что новое открытие позволило уточнить представления об эволюции тилакоидов и минимальном наборе генов, необходимом для фотосинтеза.