Открыта новая группа живых существ, родственных грибам

Рис. 1. Клетки новооткрытых существ — криптомицетов. Зеленым цветом окрашена рибосомная РНК криптомицетов (при помощи метода TSA-FISH), красным — их жгутики (использовались антитела к тубулину — главному белку жгутиков эукариот). Длина масштабной линейки — 10 микрометров. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Британские и испанские биологи обнаружили в пробах почвы, воды и донных осадков неизвестную ранее обширную группу одноклеточных организмов, получившую название криптомицетов (Cryptomycota). Криптомицеты родственны грибам, но не имеют характерной для грибов клеточной стенки. Не исключено, что эта группа по своему разнообразию сопоставима со всеми ранее известными грибами. Криптомицеты не растут на искусственных средах, что и позволяло им до сих пор ускользать от внимания исследователей.

Грибы раньше считались одним из трех царств многоклеточных эукариот наряду с растениями и животными. С тех пор систематика эукариот сильно усложнилась — в основном благодаря тому, что появилась возможность сравнивать не только морфологические и биохимические признаки организмов, но и нуклеотидные последовательности их ДНК, по которым эволюционную историю и родственные связи живых существ можно реконструировать более точно и подробно. Выяснилось, что грибы вместе с животными, воротничковыми жгутиконосцами и еще кое-какой одноклеточной мелочью образуют на эволюционном дереве эукариот обособленную ветвь, получившую название Opisthoconta (заднежгутиковые).

Рис. 2. Амеба Nuclearia — ближайший родственник грибов. Фото с сайта wikipedia.org

Ближайшими родственниками грибов являются амебы-нуклеарииды (рис. 2). Судя по всему, общие предки грибов и других опистоконтов были способны к фаготрофному питанию (клетки могли заглатывать пищевые частицы путем фагоцитоза). У грибов, в отличие от остальных опистоконтов, эта способность исчезла, зато появилась прочная клеточная стенка, в состав которой входят хитин и целлюлоза, и развилось осмотрофное питание (пищеварительные ферменты выделяются во внешнюю среду, а переваренная органика всасывается клетками). Произошло всё это, по-видимому, свыше миллиарда лет назад (см.: Грибы, которым миллиард лет, «Элементы», 19.12.2008). Грибы играют важнейшую роль в экосистемах, не в последнюю очередь благодаря своей способности переваривать целлюлозу.

Как правило, для изучения разнообразия микроскопических грибов в пробах воды или почвы эти грибы пытаются вырастить на искусственных средах. Но история изучения прокариот уже показала, что при таком подходе значительная часть микроорганизмов ускользает от внимания исследователей. Далеко не всякий микроб растет на тех средах, которые есть в распоряжении микробиологов. Гораздо более надежным способом оказалось выделение из проб молекул ДНК с последующим анализом нуклеотидных последовательностей. Этот подход позволил обнаружить огромное количество неизвестных ранее бактерий и архей.

Рис. 3. Эволюционное дерево, основанное на последовательностях генов рРНК, показывает родственные связи криптомицетов (обозначены цветными кружками) и «настоящих» грибов (нижняя половина дерева). Внизу показаны внешние группы (Opisthokont outgoup), в том числе ближайший родственник грибов амеба Nuclearia, одноклеточные паразитические опистоконты Capsaspora и Amoebidium, а также животные: губка Suberites и медуза Aurelia. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Британские и испанские биологи применили эту методику для изучения разнообразия микроскопических грибов в многочисленных пробах почвы, пресной и морской воды и донных осадков. В Генбанке уже накопилось большое количество нуклеотидных последовательностей, выделенных из таких проб. В основном это гены рибосомных РНК (по ним удобно определять и классифицировать всякую мелочь). Многие последовательности остаются неопознанными или опознанными только до царства; их помечают, например, как «uncultured fungus» (гриб, не растущий в культуре).

Авторы выбрали из Генбанка последовательности генов рРНК, похожие на грибные, и построили на их основе эволюционное дерево (рис. 3). На этом дереве помимо обычных, давно известных, групп грибов, неожиданно обнаружилась большая и пышная ветвь, близкая к грибам, но при этом достаточно четко обособленная. Авторы назвали новооткрытую группу грибоподобных организмов криптомицетами (Cryptomycota). Единственное уже известное науке существо, которое, как оказалось, входит в эту группу, — Rozella, организм, паразитирующий в гифах «нормальных» грибов (рис. 4). Розеллу ранее классифицировали как примитивный («рано ответвившийся») гриб, близкий к хитридиомицетам. Теперь выяснилось, что она была первым обнаруженным представителем большой, доселе неизвестной группы эукариот.

Рис. 4. Rozella allomycis (темные круглые клетки) паразитирует в гифах гриба (хитридиомицета) Allomyces. Фото с сайта wikipedia.org

О разнообразии криптомицетов можно судить по степени ветвистости их генеалогии (рис. 3), которая вполне сопоставима с ветвистостью родословной обычных грибов. Структура получившегося эволюционного дерева позволяет считать криптомицеты входящими в состав грибного царства, то есть грибами, однако в таком случае приходится признать, что царство это подразделяется на две равновеликие части (которым в принципе можно присвоить ранг подцарств): с одной стороны — криптомицеты (включая розеллу), с другой — все прочие грибы.

Авторы выявили фрагменты нуклеотидных последовательностей, по которым можно безошибочно распознать криптомицеты. Вооруженные этим знанием, они сами выделили ДНК из нескольких проб почвы, пресной и морской воды и донных осадков. Криптомицеты, как выяснилось, обитают почти везде, включая осадки с анаэробными (бескислородными) условиями. Их не удалось обнаружить только в пробах морской воды, но там и обычных грибов очень мало. При этом в морских донных отложениях есть как обычные грибы, так и криптомицеты.

Авторы приложили немалые усилия, чтобы увидеть криптомицеты воочию под микроскопом. Им удалось это сделать при помощи метода, который называется «Tyramide Signal Amplification combined with Fluorescence In Situ Hybridization» (TSA-FISH) (Zaidi et al., 2000). Этот метод позволяет избирательно окрашивать флуоресцентным красителем молекулы РНК с заданной последовательностью нуклеотидов (в данном случае — рибосомные РНК криптомицетов).

Оказалось, что криптомицеты представляют собой очень маленькие (3–5 мкм) округлые или овальные одиночные клетки (рис. 1). Иногда они безжгутиковые, иногда с одним длинным жгутиком. По-видимому, это соответствует разным стадиям жизненного цикла. У большинства грибов (аскомицетов, базидиомицетов, зигомицетов) жгутиковые стадии отсутствуют, но у более примитивных хитридиомицетов известны клетки со жгутиками — зооспоры. По-видимому, стадия зооспор есть и в жизненном цикле криптомицетов.

Уникальной особенностью криптомицетов является отсутствие характерной для грибов клеточной стенки, содержащей целлюлозу и хитин. Паразитическая розелла тоже не умеет вырабатывать эти вещества (она заимствует их у других грибов, в которых паразитирует). Клеточная стенка, содержащая хитин и целлюлозу, считается одним из главных определительных признаков грибного царства. Криптомицеты, по-видимому, могут рассматриваться как переходные формы между общими предками грибов и других опистоконтов, у которых не было клеточной стенки, но была способность к фагоцитозу, и настоящими грибами, у которых есть клеточная стенка, но нет фагоцитоза.

Как живут криптомицеты, чем питаются и какую роль играют в экосистемах — всё это еще предстоит выяснить. Авторы заметили, что многие клетки криптомицетов прикреплены к другим, более крупным одноклеточным организмам, чаще всего к диатомеям. Что это значит, можно только гадать. Вырастить криптомицеты в культуре пока не удалось.

Источник: Meredith D. M. Jones, Irene Forn, Catarina Gadelha, Martin J. Egan, David Bass, Ramon Massana, Thomas A. Richards. Discovery of novel intermediate forms redefines the fungal tree of life // Nature. 2011. V. 474. P. 200–203.

Александр Марков