Учёные МГУ: алкалофильный гриб заимствовал гены у бактерий и сменил диету

Сотрудник МГУ в составе крупного международного коллектива учёных исследовал геном алкалофильного гриба Sodiomyces alkalinus, обитающего на берегах гиперсолёных озёр, и реконструировал эволюцию его ферментов. Оказалось, что гриб потерял много генов, помогающих его родственникам разлагать растительные остатки, но c помощью горизонтального переноса генов научился питаться бактериями и ракообразными. Соединения, позволяющие этому грибу выжить в гиперсолёных условиях, по мнению учёных, могут быть использованы в промышленности. Работа проходила в рамках научного проекта МГУ «Ноев ковчег» при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в престижном научном журнале Molecular Ecology.

Ранее считалось, что гиперсолёные озёра и их побережья с высоким значением pH среды непригодны для жизни. Однако широкое разнообразие микроорганизмов, выделенных из воды и грунта столь экстремальных местообитаний, опровергли эту точку зрения. Особенно учёные не ожидали встретить грибы близ щелочных озёр, так как эти организмы обычно предпочитают кислую среду. Но недавно учёные нашли на побережье содовых озер России, Монголии и Африки несколько видов алкалофильных грибов, которым засоление не страшно. Причём эти грибы принадлежали разным таксономическим группам, то есть приходились друг другу отнюдь не близкими родственниками.

Многие из алкалофильных грибов были выделены лишь в единственной локации, но вид Sodiomyces alkalinus из семейства Plectosphaerellaceae встречался в большинстве посевов. Столь широкое распространение этого гриба вызвало у учёных любопытство, и они предположили, что какие-то физиологические особенности позволяют ему адаптироваться к столь суровым местообитаниям, и решили выявить их. Большинство родственников Sodiomyces alkalinus растут на растительном субстрате, однако этот вид встречается там, где растений нет. Вероятно, некие свойства позволили грибу отойти от растительной диеты и перейти на другой тип питания.

Тогда международный коллектив учёных во главе с Алексеем Грум-Гржимайло (выпускник кафедры микологии и альгологии МГУ), работающий сейчас в университете Вагенинген, решил найти в геноме Sodiomyces alkalinus уникальные последовательности, которые могли бы помочь грибу адаптироваться к щелочной среде солёных озёр. «Проведенная реконструкция эволюции ферментов, осуществляющих катаболические процессы, показала, что растительные остатки, представляющие основной субстрат для большинства видов грибов, не являются предпочтительным субстратом для S. alkalinus, — рассказала старший научный сотрудник кафедры микологии и альгологии биологического факультета МГУ Елена Биланенко. — По-видимому, гриб питается бактериями и ракообразными, что согласуется с местами его обнаружений, которые близки к воде и полностью лишены растительности».

Чтобы установить природу происхождения «суперспособности» S. alkalinus, учёные использовали метод поиска потенциального источника горизонтального переноса генов. Если определённый ген встречается у грибов крайне редко, а у других групп организмов часто, то с помощью статистического анализа можно подтвердить или опровергнуть возможность приобретения гена горизонтальным переносом. Суть горизонтального переноса генов заключается в приобретении генов не от родительских — а зачастую даже и неродственных — организмов. Так, анализ показал, что с большой вероятностью S. alkalinus приобрёл способность разлагать белки и сложные бактериальные и животные полисахариды от бактерий.

Эксперименты с выращиванием гриба на разных средах и определением активности разных его ферментов показали, что разлагать растительный субстрат этот гриб также способен. Однако целлюлолитические и гемицеллюлолитические ферменты у этого вида гораздо менее активны, чем у его родственников. Кроме того, S. alkalinus обитает в местах без растительного покрова. В сумме эти факты свидетельствуют, что в ходе эволюции S. alkalinus перешёл от роста на растительном субстрате к питанию беспозвоночными и бактериями.

По мнению учёных, ферменты, позволяющие уникальному алкалофильному грибу разлагать белки и углеводы при высоких значениях pH, могут быть использованы в промышленности. Другой коллектив исследователей из МГУ недавно описал новый вид бактерий в гиперсолёном озере на Алтае и обнаружил в нём уникальный энергозапасающий белок.

В данном исследовании также принимали участие сотрудники Университета Вагенинген (Нидерланды), Института биоразнообразия грибов (Нидерланды), Латиноамериканского отделения биотехнологической компании Novozymes (Бразилия), Утрехтского университета (Нидерланды), Объединенного института генома (США), Университета Корё (Южная Корея), Университета Конкордия (Канада), Университета Экс-Марсель (Франция) и Университета короля Абдулазиза (Саудовская Аравия).