Рис. 1. Электронная микрофотография цианобактерии Synechococcus elongatus UTEX 2973. Буквами обозначены карбоксисомы (C) и тилакоидные мембраны (T). Изображение из статьи J. Yu et al., 2015. Synechococcus elongatus UTEX 2973, a fast growing cyanobacterial chassis for biosynthesis using light and CO2
Фотопериодизм — это способность растений и животных различать длину дня и ночи, чтобы предвидеть сезонные изменения, такие как ежегодные циклы температуры. Этот механизм запускает адаптивные реакции — например, стимуляцию размножения, цветение или зимнюю спячку. Недавняя статья в журнале Science показывает, что такое явление встречается не только у растений и животных, но даже у бактерий. Авторы установили, что цианобактерии Synechococcus elongatus с жизненным циклом длительностью 5–6 часов могут предсказывать похолодания по длине светового дня, который на протяжении всего эксперимента был длиннее их жизненного цикла. После помещения в лед выживаемость цианобактерий, которые «росли» в условиях коротких «зимних» дней, была 2–3 раза выше, чем у делившихся в условиях «летних» дней. Для этого S. elongatus изменяли состав липидных мембран и заранее активировали специальные стрессовые реакции.
Фотопериодизм — это реакция на суточный ритм освещенности. Он описан у самых разных организмов: от растений и животных до одноклеточных водорослей и грибов.
У растений фотопериодизм регулируется фоторецепторами: например, фитохромы реагируют на красный и дальний красный свет, влияя на цветение и прорастание семян. Криптохромы же чувствительны к синему и участвуют в регуляции циркадных ритмов и ростовых реакций. Например, известно, что у резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) фитохромы контролируют переход от вегетативного роста к цветению в зависимости от длины дня.
У млекопитающих ключевую роль в фотопериодизме играет мелатонин. Его секреция зависит от длины светового дня и регулирует сезонные процессы: часто повышение уровня мелатонина зимой подавляет желание размножаться, а летнее снижение — стимулирует.
Более поздние исследования обнаружили фотопериодизм у модельного объекта геронтологии, гриба-аскомицетаNeurospora crassa, который наиболее активно образовывает споры при 12-часовом световом дне, а плодовые тела — при 14-часовом (Y. Tan et al., 2004. Photoperiodism in Neurospora Crassa). Для детектирования освещенности у N. crassa есть специальные светочувствительные белки, например, White Collar-1, который выступает в роли транскрипционного фактора. Также фотопериодизм удалось обнаружить у одноклеточной динофитовой водоросли Lingulodinium polyedra, зигоспоры которой наиболее активно прорастали при световом дне не короче 10 часов (L. Suzuki, C. Johnson, 2002. Photoperiodic control of germination in the unicell Chlamydomonas). Похожий ответ находили и у некоторых других одноклеточных организмов (I. Balzer, R. Hardeland, 1991. Photoperiodism and effects of indoleamines in a unicellular alga, Gonyaulax polyedra).
Но обнаружить фотопериодизм у бактерий раньше не удавалось. Между тем, его наличие могло бы свидетельствовать о том, что способность измерять световой день появилась еще у бактерий, на ранних этапах эволюции. Теперь ситуация изменилась: авторы недавней статьи в журнале Science описали фотопериодизм у цианобактерии Synechococcus elongatus (рис. 1). Это одноклеточная водоросль, которую из-за ее короткого жизненного цикла (от полутора до пяти-шести часов) часто используют в промышленности.
Схема эксперимента довольно проста (рис. 2, А). Чашки Петри, в которых росли бактерии, разбили на три группы, содержавшиеся в разных режимах освещенности:
- «зимний»: светлое время — 8 часов, темное — 16 часов,
- «умеренный»: по 12 часов светлого и темного времени,
- «летний»: светлое время — 16 часов, темное — 8 часов.
Во всех случаях температура была 30°C. В таких условиях бактерии культивировались несколько дней. Затем их помещали в лед и спустя 10, 30, 60 и 120 минут фиксировали число выживших (рис. 2, B, слева).
Спустя 2 часа из бактерий, росших в «летних» и «умеренных» условиях, выжило около 25%, в то время как среди «зимних» бактерий выжило вдвое больше. В качестве контрольного эксперимента использовали мутантов с нокаутом по генам клеточных часов (kaiA, kaiВ, kaiС, рис. 2, В справа). Более того, дополнительные эксперименты показали, что адаптация происходит в любое время дня, будь то утро или вечер, независимо от интенсивности света.
Рис. 2.A — протокол эксперимента. Бактерий делили на три группы: живущих при «зимнем» световом режиме (8 часов на свету и 16 в темноте), при «умеренном» (по 12 часов на свету и в темноте) и при «летнем» (16 часов на свету и 8 в темноте). B — выживаемость бактерий, растущих при разных режимах освещенности во льду в течение 10, 30, 60 и 120 минут. Слева — основной эксперимент, справа — контроль с S. elongatus с нокаутом по генам, ответственным за циркадные ритмы. Рисунок из обсуждаемой статьи
Все это говорит о том, что бактерии S. elongatus могут предсказывать грядущие похолодания, ориентируясь на короткий световой день. Примерно такая же реакция характерна для зимующих растений.
Границей длительности светового дня, выше которой адаптация не происходила, оказались 10 часов. Больше — адаптации не было, меньше — была, причем развивалась довольно быстро. Как быстро? Чтобы узнать это, ученые погружали в лед бактерий с разной продолжительностью культивирования: от одного дня до пяти.
Оказалось, что минимальная адаптация происходит уже на второй день (выживаемость поднимается вдвое, с 25% до 50%), а на четвертый день она достигает плато (около 55%; рис. 3).
Рис. 3.A — графики, показывающие выживаемость бактерий после разного количества фотопериодических циклов. B — график выживаемости через два часа после охлаждения. Рисунок из обсуждаемой статьи
Эти эксперименты однозначно показали, что бактерии умеют отличать короткие световые дни от длинных, несмотря на то, что жизненный цикл каждой отдельной бактерии короче, чем любой световой день. Но как это возможно?
Для начала ученые поставили перед собой промежуточную задачу, которая частично позволяет ответить на этот вопрос. При помощи РНК-секвенирования они решили изучить, что именно позволяет бактериям выживать во льду. По числу РНК-транскриптов ученые установили, какие гены экспрессируются в норме (у бактерий с нокаутированными генами циркадных ритмов), а какие включаются в ответ на короткие и длинные световые дни (рис. 4).
Рис. 4.D — гены, связанные с метаболизмом ДНК, жирными кислотами и стрессом, которые экспрессируются в зависимости от фотопериодов. F — тепловая карта, показывающая пропорции генов, вовлеченных в ключевые процессы, которые изменили свою экспрессию в ответ на фотопериоды. Рисунок из обсуждаемой статьи
Оказалось, что в ответ на короткие и длинные световые дни у бактерий резко повышается экспрессия определенных сигма-факторов. Это части РНК-полимеразы, которые регулируют то, с какими именно генами будет связываться РНК-полимераза. Так регулируется количество РНК-транскриптов этих генов.
Во время летних дней росла экспрессия сигма-фактора rpoD2, который ассоциирован с генами ответа на световой стресс. Таким образом, бактерии как бы готовились к грядущим солнечным дням с повышенной дозой ультрафиолета. Но такие гены не были основной целью исследования — ученых интересовали другие.
Во время зимних дней росла экспрессия сигма-фактора sigC, который увеличивает синтез ненасыщенных липидов. Они разрыхляют мембрану, и температура ее замерзания падает. Так бактерии адаптировались к грядущему похолоданию и за счет этого легче переживали попадание в лед. Помимо этого, увеличивается экспрессия гена белка-шаперона clpB, который активирует различные АТФазы. Те, в свою очередь, разворачивают белковые агрегаты, которые неправильно свернулись из-за пониженной температуры. Это позволяет белкам повторно сворачиваться уже в нормальную конформацию.
Вдобавок при холодных днях увеличивается экспрессия гена glgC, глюкозо-1-фосфат-аденилилтрансферазы, и бактерия начинает запасать гликоген перед будущими заморозками.
Таким образом, по результатам исследования можно выделить три основных пути, которыми бактерии адаптируются к пониженным температурам:
- Синтез ненасыщенных жирных кислот, чтобы увеличить пластичность мембран.
- Активация определенных шаперонов, которые помогают белкам сворачиваться правильно в новых температурных условиях.
- Запасание гликогена перед будущими заморозками, когда эффективность фотосинтеза будет не такой высокой.
Поскольку все эти изменения кодируются на уровне эпигенетики, они наследуются сквозь поколения. В результате каждое поколение понемногу меняет экспрессию генов, и уже на четвертый день экспрессия наиболее подходящих для данного светового режима генов достигает пика. За счет этого бактерии могут адаптироваться к световому дню, который длиннее жизненного цикла каждой отдельной цианобактерии.
Исследователи предполагают, что в будущем это может помочь в борьбе с цветением водоемов, ведь они происходят именно летом и наверняка ассоциированы с теми генами, которые экспрессируется в длинные световые дни. Более того, это исследование показывает, что бактерии могут адаптироваться и к глобальному потеплению, причем быстрее, чем многоклеточные организмы.
Источник: M. L. Jabbur, B. P. Bratton, C. H. Johnson. Bacteria can anticipate the seasons: Photoperiodism in cyanobacteria // Science. 2024. DOI: 10.1126/science.ado8588.
Влад Начатой