biochemia / biologia / genetyka / mikrobiologia / mykologia

Azot jako gaz życia, czyli co może dać symbioza. Część 3: I znów endosymbioza

Piotr GąsiorowskiLeave a comment 
Inne wpisy z tej serii:
Część 1: Porosty
Część 2: Rośliny i ich mali przyjaciele

Patrz też:
Organizmy mało znane: Porosty
Gwiezdna galareta i kamień filozoficzny

Nie lekceważmy pleśni

Dwie główne gromady grzybów, o których napomykałem kilkakrotnie we wcześniejszych wpisach, to workowce (Ascomycota) i podstawczaki (Basidiomycota). Razem tworzą one wielki klad Dikarya, któremu nadaje się zwykle rangę podkrólestwa (aczkolwiek rangi niewiele znaczą we współczesnej systematyce). Poza tym podkrólestwem do królestwa grzybów (Fungi) zalicza się sporą liczbę gałęzi ewolucyjnych w randze gromad, podgromad, klas czy rzędów (czasem słabo poznanych), których pełna klasyfikacja jest wciąż prowizoryczna i zmienia się w miarę postępu badań. Dla laików grzyby z grup „bazalnych” (czyli spoza Dikarya) to różnego rodzaju „pleśnie”, mało interesujące w porównaniu z grzybami (głównie podstawczakami, rzadziej workowcami), które zbieramy w lesie do koszyka. Tymczasem są to tysiące gatunków odgrywających wielką rolę ekologiczną.

Pojęcie „grzybów porostowych” odnosi się do trybu życia, nie do pozycji systematycznej. Różne grupy grzybów w różnym czasie kilkakrotnie nawiązywały współpracę z zielenicami lub cyjanobakteriami. Ogromna większość porostów to workowce, choć znamy kilka przypadków podstawczaków porostowych. Warto jednak zwrócić uwagę, że grzyby w ogóle mają skłonność do symbiozy. Jej klasycznym przykładem jest mykoryza – współżycie grzybów z korzeniami roślin naczyniowych. Również wiele mszaków posiada grzybowe symbionty. Ogólna zasada tej symbiozy jest następująca: strzępki grzyba pomagają roślinie pozyskiwać wodę, przyswajalne składniki mineralne i mikropierwiastki, a w zamian roślina dzieli się z grzybem węglowodanami i lipidami. Ale mykoryza to w rzeczywistości zjawisko znacznie bardziej skomplikowane – wymiana usług na ogromną skalę, obejmująca m.in. ochronę roślin przed patogenami. Mykoryza istnieje, odkąd rośliny wyszły na ląd, co nastąpiło jakieś 500–460 mln lat temu. Skamieniałe ślady dowodzą, że już wtedy grzyby, zadomowione na lądzie wcześniej, pomagały roślinom w pionierskiej kolonizacji niemal jałowych kontynentów.

Porost alternatywny

Jedną z ważnych grup grzybów spoza podkrólestwa Dikarya, która brała udział w tym procesie, są Glomeromycotina (znane jako grzyby kłębiakowe). Opisano dotąd ponad 300 gatunków, ale z pewnością jest ich o wiele więcej. Niemal wszystkie uprawiają mykoryzę i co najmniej 70–90% gatunków roślin lądowych korzysta z ich usług. Strzępki ich grzybni tworzą tzw. arbuskule, czyli wypustki, które przebijają ściany komórek w tkance korzenia i rozrastają się drzewkowato wewnątrz nich, zwielokrotniając powierzchnię kontaktu. Przez to złącze wymieniane są składniki odżywcze, np. cukry dla grzyba i fosforany dla rośliny. Mykoryza abuskularna to wyłączna specjalność grzybów kłębiakowych. Ich usługi nie są tanie, bo Glomeromycotina mają duże zapotrzebowanie na cukry, ale w ostatecznym rachunku współpraca jest tak korzystna dla roślin, że opłaca im się zapewnić pokarm symbiontowi.

Jeden z grzybów należących do Glomeromycotina, Geosiphon pyriformis, wpadł na pomysł niekonwencjonalny. Zamiast kolonizować korzenie roślin i wnikać do ich wnętrza, sam pozwolił się skolonizować fotosymbiontowi. Jego strzępki tworzą milimetrowej wielkości pęcherzyki wystające ponad powierzchnię gleby (ryc. 1). Ich górna część przeznaczona jest dla sinic (cyjanobakterii), zwłaszcza ze znanego nam już gatunku Nostoc punctiforme, który często wynajmuje się jako dostawca azotu dla roślin. Nitki cyjanobakterii mają w tym przypadku dostęp do światła, mogą więc uprawiać fotosyntezę; jednocześnie wchodzące w ich skład heterocysty wiążą azot atmosferyczny. Grzyb dostaje zatem od cyjanobakterii związki azotu, cukry i wydzielane pozakomórkowo lipidy, zapewniając jej w zamian stabilne środowisko i dostawę składników mineralnych – z dobrym skutkiem, bo komórki N. punctiforme wewnątrz pęcherzyków grzyba są kilkakrotnie większe niż w swobodnie żyjących koloniach tego gatunku).

Ryc. 1.

Przypomina to bardzo wymianę usług w porostach takich jak pawężnice; jednak współczesna definicja porostu nie obejmuje przypadku G. pyriformis, jedynego w swoim rodzaju ze względu na endosymbiotyczność sinicy. Być może jest to pamiątka z najwcześniejszego okresu życia na lądach, gdy przodkowie Glomeromycotina musieli współpracować z jakimikolwiek dostępnymi fotobiontami – zielenicami lub cyjanobakteriami – zanim trafiła im się gratka w postaci roślin telomowych podbijających suchy ląd.

Podobnie jak u innych Glomeromycotina, genom G. pyriformis zawiera komplet nietkniętych genów kodujących białka niezbędne w procesie mejozy, homologi loci determinujących typy koniugacyjne (czyli grzybowy odpowiednik płci), a także nosi ślady rekombinacji. Można stąd wnosić, że grzyby te od czasu do czasu rozmnażają się płciowo, choć nic nie wiemy na temat szczegółów tego niezaobserwowanego dotąd procesu. Mogą jednak także rozmnażać się wegetatywnie lub produkować duże zarodniki, tzw. glomerospory (w tym przypadku o średnicy 0,25 mm) służące do rozmnażania bezpłciowego. Sinicowy symbiont nie jest przekazywany z pokolenia na pokolenie. Młody osobnik grzyba musi wytworzyć pęcherzyki, które są zasiedlane przez tzw. ruchliwki (hormogonia), czyli rozmnóżki wolno żyjących sinic – krótkie odcinki nitek zdolne do samodzielnego ruchu. G. pyriformis potrafi rozpoznać „swoje” sinice i tylko im pozwala zamieszkać w swoich komórkach.

Chloroplasty wynalezione na nowo

Wspominałem na początku tej serii, że wszystkie organelle fotosyntetyzujące współczesnych organizmów pochodzą od jednego wspólnego przodka: cyjanobakterii, która stała się endosymbiontem przodka roślin w szerokim sensie (Archaeplastida) i przodkiem plastydów. Niektóre inne eukarionty pozyskały plastydy pośrednio, dzięki wtórnej symbiozie, od organizmów, które już je posiadały. Jest jednak co najmniej jeden współczesny wyjątek: rodzaj Paulinella, obejmujący kilkanaście gatunków organizmów eukariotycznych. Paulinella jest amebopodobnym jednokomórkowcem, który otacza się jajowatą skorupką złożoną z przezroczystych, misternie ułożonych łuseczek krzemionkowych. Posiada nitkowate nibynóżki umożliwiające jej pełzanie po dnie zbiorników słodkowodnych. Należy do typu Cercozoa, wchodzącego w skład kladu Rhizaria wraz z otwornicami (Foraminifera) i promienicami (Radiolaria), o których nawet niespecjaliści mogli coś słyszeć. Rhizaria z kolei stanowią jedną z trzech grup składających się na SAR – jedną z „supergrup”, na które dzielimy obecnie eukarionty.1

Ryc. 2.

Od ponad stu lat było wiadomo, że komórki trzech gatunków paulinelli zawierają dwa duże, kiełbaskowate twory, nazwane chromatoforami, w których odbywa się fotosynteza. Badania pod mikroskopem elektronowym ujawniły ich podobieństwo morfologiczne do jednej z linii ewolucyjnych cyjanobakterii reprezentowanej przez rodzaj Synechococcus. Sinice z tej grupy występują powszechnie w oceanach, a także w wodach słodkich i należą do najbardziej rozpowszechnionych organizmów na naszej planecie. Są one wyłącznie samożywne; nie posiadają zdolności do wiązania azotu atmosferycznego, tylko pobierają związki azotu, zwłaszcza amoniak, ze środowiska, w którym żyją. Pojawiło się wobec tego pytanie, czy paulinella zawiera endosymbiotyczne sinice, czy może raczej organella, które nie są już samodzielnymi organizmami? Chromatofory paulinelli posiadają własne genomy. Gdy zaczęto badać ich DNA, okazało się, że mamy w rzeczy samej do czynienia z bliskim krewnym sinic z grupy Synechococcus/Prochlorococcus. Genom chromatoforu jest jednak około trzech razy mniejszy niż genomy jego swobodnie żyjących kuzynów, a także w ogóle mniejszy niż genom jakiejkolwiek samodzielnej cyjanobakterii. Część pierwotnych genów chromatoforu zanikła, część została „ukradziona” przez genom paulinelli. Teraz to gospodarz koduje białka niezbędne do funkcjonowania chromatoforu, przejmując w ten sposób kontrolę nad jego losem. Podziałom komórkowym paulinelli towarzyszy podział chromatoforów między komórki potomne.

Typowe genomy plastydów roślinnych są jeszcze 5–10 razy mniejsze niż genom chromatoforu, ale pamiętajmy, że plastydy powstały ok. 1,6 mld lat temu, a wspólny przodek fotosyntetyzujących gatunków paulinelli przyswoił sobie symbiotyczną sinicę ok. 100 mln lat temu, czyli „niedawno” (jak mówią badacze ewolucji bakterii, przyzwyczajeni do operowania skalą obejmującą miliardy lat). Jest zatem rzeczą zrozumiałą, że redukcja genomu i utrata tożsamości przez endosymbionta są w przypadku prastarych plastydów o wiele bardziej zaawansowane. Wyniki badań nie pozostawiają jednak wątpliwości, że pochłonięta kiedyś cyjanobakteria już zdążyła się przekształcić w fotosyntetyzujące organellum. Innymi słowy, widzimy tu powtórkę tego, co wydarzyło się na początku ewolucji roślin. Chromatofor paulinelli bywa obecnie nazywany „cyjanellum”, dla podkreślenia jego endosymbiotycznego pochodzenia. Warto podkreślić, że sinica, która była jego przodkiem, należała do innej grupy niż przodek plastydów.

W pogoni za azotem

A co z cyjanobakteriami wiążącymi azot? Tu przydatny będzie krótki wstęp. Wspomniałem wyżej o supergrupie SAR. Jej nazwa jest akronimem nazw trzech głównych gałęzi ewolucyjnych, które się na nią składają (patrz ryc. 2). Ostatnia litera, R, oznacza znane nam już Rhizaria. A to Alveolata, grupa niezmiernie różnorodna. Należą do niej między innymi orzęski (Ciliophora), jak znany z podręczników biologii pantofelek (Paramecium), bruzdnice (Dinoflagellata), stanowiące ważny składnik planktonu oceanicznego, a także typ Apicomplexa, który daje się ludzkości we znaki, bo wydał kilka szczególnie niebezpiecznych i uciążliwych pasożytów atakujących ludzi i zwierzęta domowe: wystarczy wspomnieć zarodźce malaryczne, toksoplazmę i babeszję. I wreszcie S to stramenopile (Stramenopiles), grupa najbardziej zróżnicowana, o skomplikowanym, gęsto porozgałęzianym drzewie rodowym. Należą do niej organizmy najrozmaitszych typów, od grzybopodobnych pasożytniczych lęgniowców (Oomycetes)2 po roślinopodobne brunatnice (Phaeophyceae). Wśród tych ostatnich są gatunki bynajmniej nie mikroskopijne, na przykład wielkomorszcz (Macrocystis pyrifera), rosnący w tempie 60 cm dziennie, osiągający długość 45 m i tworzący prawdziwe podmorskie lasy.

Wiele stramenopilów jest zdolnych do fotosyntezy dzięki chloroplastom nabytym ponad miliard lat temu od krasnorostów pochłoniętych przez ich wspólnego przodka.3 Dotyczy to nie tylko brunatnic, ale także np. okrzemek (Bacillariophyta), jednej z najważniejszych grup organizmów na Ziemi. Stanowią one poważną część biomasy oceanów, a wiążąc CO2, produkują 25–50% tlenu, którym oddychamy. Mają nawet znaczenie geologiczne, bo ich ornamentowane krzemionkowe pancerzyki, przypominające wyroby jubilerskie, wiążą rocznie miliardy ton krzemu. Martwe okrzemki opadają na dno morza, gdzie ich pancerzyki tworzą grube warstwy, przekształcające się następnie w skały osadowe takie jak diatomit lub czert. Obecnie biologiczny obieg krzemu to przede wszystkim domena okrzemek.

Ogromna większość okrzemek to organizmy samożywne, nie potrzebują zatem dodatkowego fotobionta, ale – podobnie jak parzepliny lub azolle – niektóre z nich nawiązują współpracę z sinicami w innym celu: pozyskiwania azotu w środowisku ubogim w jego przyswajalne związki. Jest to na ogół luźna symbioza, w której cyjanobakteria nie jest przekazywana z pokolenia na pokolenie i nie rezyduje wewnątrz komórki gospodarza. Ale dwa blisko z sobą spokrewnione rodzaje słodkowodnych okrzemek, Rhopalodia i Epithemia, zawierają w swojej cytoplazmie kuliste twory, w których rozpoznano endosymbiotyczne cyjanobakterie. Posiadają one własne genomy o długości ok. 3 mln par zasad. Badania DNA, przeprowadzone w ostatnich latach, wyjaśniły ich pochodzenie. Wspólny przodek obu rodzajów, żyjący ok. 12 mln lat temu, przyjął jako endosymbiotycznego partnera cyjanobakterię blisko spokrewnioną ze współczesnym rodzajem Cyanothece. Od tego czasu sinica uzależniła się metabolicznie od opieki gospodarza. Jej genom skurczył się mniej więcej o 40%, tracąc m.in. geny związane ze zdolnością do fotosyntezy. Natomiast w odróżnieniu od symbiontów paulinelli Cyanothece potrafi wiązać azot i zachowała tę zdolność jako endosymbiont. Jest przekazywana międzypokoleniowo i nie może żyć poza komórką okrzemki. Ewolucja sinicy wewnątrz komórki gospodarza zbliżyła się zatem do punktu, w którym symbiont traci własną odrębność i zaczyna funkcjonować jako organellum nowego typu, służące do wiązania azotu cząsteczkowego.

Nitroplasty – całkiem nowa wariacja na stary temat

A co by było, gdyby proces zamiany endosymbionta w organellum trwał wielokrotnie dłużej niż kilkanaście milionów lat? Wynik można przewidzieć: dawna cyjanobakteria traciłaby kolejne geny i związane z nimi funkcje, specjalizując się w tej jednej, która przynosi zysk gospodarzowi. Można się także spodziewać rosnącej kontroli gospodarza nad procesem wiązania azotu, np. dzięki przechwytywaniu przez genom jądrowy genów kodujących zaangażowane w ten proces białka. Ale nie ma potrzeby spekulować, bo taki wypadek rzeczywiście miał miejsce.

Opuścimy teraz supergrupę SAR, choć pozostaniemy w jej pobliżu. Kilka mniejszych gałęzi ewolucyjnych oddzieliło się od drzewa rodowego tuż poniżej lokalizacji wspólnego przodka SAR. Według obecnej wiedzy są one prawdopodobnie bliżej spokrewnione z SAR niż np. z roślinami. Jedną z nich są haptofity (Haptophyta), grupa niezbyt wielka (kilkaset znanych gatunków). Ich cechą charakterystyczną jest posiadanie − oprócz dwóch wici służących jako napęd − sztywnego wyrostka zwanego haptonemą, który może służyć do zakotwiczania się w podłożu, do obrony lub ataku oraz jako coś w rodzaju prowadnicy pokarmu przy jego pochłanianiu. Haptofity są zarówno samożywne (fotosyntetyzują, tak jak brunatnice i okrzemki, za pomocą chloroplastów pochodzących od endosymbiotycznych krasnorostów), jak i cudzożywne. Może nie wiedzielibyśmy nic o tej niezbyt szeroko znanej grupie, gdyby nie katastrofa ekologiczna w Odrze w 2022 r., spowodowana przez „złotą algę” Prymnesium parvum, należącą właśnie do haptofitów.

Ryc. 3.

Ale o niej może innym razem. Tu zajmiemy się haptofitem Braarudosphaera bigelowii. W odróżnieniu od Prymnesium należy on do tzw. kokolitoforów: wytwarza pancerzyk z wapiennych płytek (kokolitów). Pancerzyk tego gatunku jest dość niezwykły: ma kształt dwunastościanu foremnego o średnicy ok. 0,01 mm. Każda z jego pięciokątnych ścian złożona jest z pięciu promieniście ułożonych elementów w kształcie latawca (ryc. 3). Od roku 2012 było wiadomo, że sinica zidentyfikowana wcześniej na podstawie DNA i nazwana prowizorycznie UCYN-A (lub Candidatus Atelocyanobacterium thalassa), występująca powszechnie w oceanach, jest nieodłącznym symbiontem B. bigelowii i dostarcza gospodarzowi produktów wiązania azotu atmosferycznego. Każdej komórce haptofitu towarzyszą sinice – co najmniej jedna lub dwie. Długo jednak nie można było ustalić szczegółów symbiozy. Stało się to możliwe, kiedy za pomocą tomografii rentgenowskiej zbadano strukturę wewnętrzną haptofita i jego symbiontów uchwyconą podczas podziałów komórkowych.

Wyjaśniło się wreszcie (w 2024 r.), że UCYN-A nie żyje na powierzchni haptofita, lecz jest endosymbiontem swojego gospodarza ściśle zintegrowanym z jego komórką. Podobnie jak plastydy czy mitochondria dzieli się i jest dziedziczona przez komórki potomne przy podziałach komórkowych. Jest to sinica jednokomórkowa, wiążąca N2, ale pozbawiona zdolności do fotosyntezy. Jak ustalono już wcześniej, B. bigelowii przekazuje symbiontowi kilkanaście procent produktów własnej fotosyntezy, a w zamian otrzymuje ok. 90% związanego przezeń azotu. Genom UCYN-A jest silnie zredukowany. Jak wykazała analiza proteomu haptofita oraz wyizolowanego endosymbionta, gospodarz wytwarza mniej więcej połowę spośród ok. 2000 białek potrzebnych do funkcjonowania cyjanobakterii. Są wśród nich białka odpowiedzialne za wiązanie azotu. Haptofit znakuje białka za pomocą sekwencji aminokwasów tak, by trafiły pod właściwy adres, czyli do UCYN-A. Można zatem uznać, że sinica przestała być odrębnym organizmem i stała się organellum gospodarza w takim samym stopniu jak chromofor paulinelli. Nazwano ten nowo opisany rodzaj organellum nitroplastem. B. bigelowii reprezentuje najbardziej zaawansowany stopień ewolucji nitroplastu, choć endosymbiont opisanych wyżej okrzemek Rhopalodia i Epithemia na dobrą sprawę też już przekracza próg całkowitej integracji z gospodarzem.

Pancerzyki kokolitowe, jako twory mineralne, zachowują się dobrze w stanie kopalnym, dlatego historia opancerzonych haptofitów (podobnie jak okrzemek) jest dobrze znana. Według zapisu paleontologicznego B. bigelowii istnieje w formie praktycznie niezmienionej od ok. 100 mln lat. Można przypuszczać, że historia ewolucyjna nitroplastu jest równie długa. Może się wydawać wyjątkowa, ale świat eukariontów, które nie są roślinami, zwierzętami ani grzybami jest ogromnym poligonem ewolucji. Znamy go tylko fragmentarycznie i wciąż nie doceniamy. W świadomości laików są to nadal mało zajmujące „glony” i „pierwotniaki”, a w najlepszym razie „królestwo protistów” – jak gdyby galeria nieudanych prototypów z czasów, zanim powstało coś godnego uwagi. Tymczasem prawdziwa różnorodność form życia i interakcji między nimi ukrywa się właśnie tam, a niespodzianki, być może o wiele bardziej zadziwiające niż te, o których pisałem, są tylko kwestią czasu.

Przypisy

  1. Człowiek, wraz ze wszystkimi zwierzętami, a także grzybami, śluzowcami i rozmaitymi pełzakami, należy do supergrupy Amorphea. Z supergrupą Archaeplastida, zawierającą rośliny i ich najbliższych krewnych, już się zapoznaliśmy. Obecnie wyróżnia się od sześciu do kilkunastu supergrup eukariontów w zależności od przyjętego schematu klasyfikacji. Nie trzeba się jednak zanadto przywiązywać do obecnej wizji systematyki eukariontów, bo przyszłe badania na pewno doprowadzą do niejednej rewolucji w tej dziedzinie. ↩︎
  2. O jednym z lęgniowców, patogenie zarazy ziemniaka (Phytophthora infestans), współsprawcy Wielkiego Głodu w Irlandii (1845–1852), pisał na naszym portalu Marcin Czerwiński. Innym lęgniowcem jest groźny pasożyt Aphanomyces astaci, powodujący „dżumę raczą”, dziesiątkującą europejskie populacje raka szlachetnego i błotnego. ↩︎
  3. Krasnorosty (Rhodophyta), jako jedna z gałęzi Archaeplastida, są potomkami pierwszej jednokomórkowej prarośliny, która oswoiła endosymbiotyczne cyjanobakterie. ↩︎

Opis ilustracji

Nagłówek. Trzęsidło (Nostoc sp.), cyjanobakteria będąca w istocie organizmem wielokomórkowym. Wśród zwykłych (fotosyntetyzujących) komórek wegetatywnych tworzących nici widoczne są heterocysty odpowiedzialne za wiązanie azotu atmosferycznego. Foto: rmatth. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC-SA 3.0).
Ryc. 1. Przekrój przez pęcherzyk tworzony przez Geosiphon pyriformis. Wewnątrz wielojądrowej komórki grzyba widoczne są nitki cyjanobakterii z komórkami fotosyntetyzującymi i heterocystami (komórkami wyspecjalizowanym w wiązaniu azotu cząteczkowego). Grafika: Falconaumanni. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 3.0).
Ryc. 2. Roboczy schemat drzewa rodowego eukariontów wg w miarę aktualnego stanu wiedzy (wciąż uzupełnianego). Tradycyjne „królestwa” zagnieżdżone są dość głęboko w niektórych supergrupach; np. grzyby i zwierzęta należą do kladu Opisthokonta w obrębie supergrupy Amorphea, a rośliny zielone stanowią klad Chloroplastida wewnątrz supergrupy Archaeplastida. Źródło: Burki et. al. 2020 (licencja CC-BY).
Ryc. 3. Braarudosphaera bigelowii w stadium kokolitofora (z dwunastościennym pancerzykiem). Źródło: Hagino et al. 2013 (licencja CC BY-SA 3.0).

Lektura dodatkowa

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *