Trebouxia — одноклеточная зеленая водоросль . [1] Это фотосинтезирующий организм, который может существовать практически во всех средах обитания, встречающихся в полярных , тропических и умеренных регионах. [2] [3] [4] [5] [6] Он может существовать либо в симбиотических отношениях с грибами в форме лишайника, либо может выживать независимо как свободноживущий организм или в колониях. [7] Trebouxia — наиболее распространенный фотобионт среди существующих лишайников . [8] Это основной производитель морских, пресноводных и наземных экосистем. [3] Он использует каротиноиды и хлорофилл a и b для сбора энергии от солнца и обеспечения питательными веществами различных животных и насекомых. [2] [4]
Предок Trebouxia , возможно, ввел фотосинтез в наземные среды обитания примерно 450 миллионов лет назад. [9] Он также является биоиндикатором нарушений среды обитания, качества пресной воды, загрязнения воздуха, концентрации углекислого газа и изменения климата. [10] [11] Кроме того, его жизненный цикл сложен, и необходимо провести много исследований, чтобы охарактеризовать его более полно. [12] [13] [14] [15] [1] [5] В течение десятилетий наличие полового размножения было неизвестно. [16] Однако недавние (2000-е годы) молекулярные доказательства рекомбинации и наблюдения за половыми слияниями гамет для образования зигот предполагают, что половое размножение имеет место. [5]
Trebouxia (как было описано в 1994 году) является парафилетической группой; [17] проблема была решена путем перемещения некоторых членов в Asterochloris . [18] Известно, что горизонтальный перенос генов , кодирующих белок, между грибами и Trebouxia имел место. [19] [5] Также имеются доказательства горизонтального переноса интронных генов между различными штаммами Trebouxia в слоевищах лишайников. [5] Наличие шаровидных клеток в ископаемых лишайниках нижнего девона (415 миллионов лет назад), которые выглядят похожими на Trebouxia, указывает на значимость грибкового симбиоза, подобного Trebouxia, на протяжении всей земной истории Земли. [8]
Род Trebouxia был первоначально описан Пуймали в 1924 году. [20] Типовой вид рода — Trebouxia arboricola . [21] Название рода Trebouxia дано в честь Октава Требу (1876–ок. 1940), эстонского ботаника и физиолога растений из Национального университета Харькова и Риги. [22] Род был разделен на два рода Trebouxia и Pseudotrebouxia . [23] [1] Некоторые недавние (2000-х годов) исследования подразумевают, что различия между двумя группами недействительны. Вместо этого Trebouxia следует разделить другими способами, например, разделив Trebouxia на два рода, Asterochloris (включая фотобионтов подотряда Cladoniinae) и Trebouxia (включая фотобионтов подотряда Lecanorineae). [23] [1] [5] Разделение на Asterochloris было официально осуществлено в 2010 году. [18] Известно, что оставшиеся виды Trebouxia встречаются в четырех кладах в молекулярном анализе, называемых «A», «C», «I» и «S». Новая клада «D» была обнаружена в 2020 году. [24]
Систематическое местоположение и таксономия Trebouxia оставались неопределенными в течение десятилетий. Первоначально, в 1995 году, группа была помещена в порядок Pleurastrales [25], а затем в Microthamniales. [1] Позднее, в 2002 году, она стала частью порядка Chlorococcales [6] , а теперь она помещена в порядок Trebouxiales. [1] Неизвестно, принадлежат ли все фотобионты, описанные как «требуксиоидные», к одному роду. [1] Также неясно, сколько и какие виды следует принимать и признавать. [1]
Кроме того, в более ранние годы классификация и номенклатура видов основывались на цвете организма, размере, росте и форме колоний, текстуре и лишайнике, из которого он был выделен. [12] Считалось, что каждый вид водорослей принадлежит к определенному виду лишайника. [12] Однако с 1960-х годов каждый вид Trebouxia рассматривался независимо от вида лишайника, поскольку один и тот же вид Trebouxia может быть связан со многими лишайниками. [12] К 2010 году классификация и номенклатура видов [ сомнительно – обсудить ] основывались на структуре пиреноида, электронно-плотных везикулах, форме хлоропласта и граны, размере вегетативной клетки и толщине клеточной стенки. [26]
Trebouxia — это фотосинтетический автотрофный род, который может существовать практически в любых экологических условиях в природе. Его можно найти в тропиках, Арктике, Антарктике, бореальных лесах, пресной воде, море, голых скалах, древесных отходах, коре деревьев, песчанике, почве, жарких и полузасушливых пустынях. [27] [2] [28] [4] [5]
Некоторые виды могут жить в экстремальных условиях, таких как сухие долины Антарктиды с влажностью почвы менее 5% или местообитания, богатые железом и металлами. [29] [4] Он может переносить широкий диапазон температур и длительные периоды высыхания; [12] [30] [31] Каротиноиды, такие как ксантофилл астаксантин, позволяют Trebouxia переносить высокую освещенность. [32] [4]
Кроме того, Trebouxia может существовать в свободноживущей форме или в слоевище лишайника в качестве фотобионтного партнера с его грибным микобионтом. [7] Высвобождение или выход зооспор водорослей из неповрежденных лишайников является источником свободноживущих колоний водорослей или отдельных свободноживущих клеток. Более того, один и тот же вид Trebouxia может быть связан со многими видами микобионтов, или многие штаммы Trebouxia могут обитать в одном лишайнике. [12] [26] [33] [11] [1] Однако созревание лишайника может привести к исчезновению всех штаммов Trebouxia , кроме одного. [5] Кроме того, виды Trebouxia не избирательны по отношению к своим грибковым симбионтам, в то время как грибковые виды очень избирательны по отношению к своим партнерам-водорослям. [5] В районах, где виды водорослей редки, грибы менее избирательны и формируют симбиотические отношения с любым видом Trebouxia , а затем переключаются на более подходящий вид водорослей. [5] Некоторые виды Trebouxia сильно зависят от своих грибковых партнеров и не могут существовать как независимые организмы. [34] [35] Грибы получают питательные вещества посредством самопаразитизма или выборочного сбора старых клеток Trebouxia . [5] Trebouxia , с другой стороны, поставляет 90% своих продуктов фотосинтеза в микобоинт. [5] Пиреноглобулы (богатые липидами запасы в пиреноиде Trebouxia ) используются микобоинтом для получения энергии и воды. [5]
Trebouxia действует как важный первичный производитель в пресноводных, морских и наземных экосистемах. [3] Trebouxia использует каротиноиды и хлорофилл a и b для сбора энергии от солнца и синтеза органических соединений, которые служат существенным источником пищи для широкого спектра гетеротрофов, включая животных, беспозвоночных и насекомых. [2]
Требуксия — одноклеточная сферическая зеленая водоросль, содержащая звездчатый или агрегированный хлоропласт с одним пиреноидом (скоплением ферментов) в центре. [1] Размер клеток может варьироваться от 8 до 21 мкм в длину. [5] [36]
Trebouxia делится на две группы на основе формы вегетативных клеток и природы хроматофора. В первой группе хроматофоры располагаются в париетальном положении во время деления клетки и глубоко изрезаны нерегулярными, узкими отростками, которые простираются до клеточной стенки и прижимаются к ней. [12] Форма вегетативных клеток в группе 1 эллипсоидальная. [12] В группе 2 хроматофоры представляют собой гладкоокаймленные структуры, расположенные в центральном положении во время деления клетки и не прижимаются к клеточной стенке. [12] Вегетативные клетки в группе 2 имеют сферическую форму. [12]
Все Trebouxia , связанные с лишайниками, обладают богатыми липидами глобулами в своих пиреноидах, известными как пиреноглобулы. [37] [5] Пиреноглобулы используются грибами в слоевище лишайника для получения энергии и в качестве источника воды. [5] Фикобионты Trebouxia обладают различным количеством и типами пигментов, таких как хлорофиллы и каротиноиды, в различных условиях окружающей среды. Например, антарктическая Trebouxia содержит мало хлорофилла a, много хлорофилла b и разнообразные каротиноиды по сравнению со среднеевропейскими фикобионтами Trebouxia из-за низкотемпературных спектров флуоресценции в Антарктиде. [2]
Размножение Trebouxia осуществляется автоспорами и зооспорами. Автоспоры — это неподвижные споры, имеющие ту же форму, что и их родительские клетки. [1] Они производятся внутри родительских клеток. [1] Зооспоры — это подвижные споры, которые производятся внутри слоевищ лишайников и высвобождаются. Они схожи по структуре и размеру во всех таксонах Trebouxia . [14] Они имеют размер 4-6 мкм и не имеют клеточной стенки. [14] Это позволяет им менять форму и вписываться в грибковую сеть. [14] [5]
Позже в процессе развития они округляются, образуя стенки и превращаясь в вегетативные клетки. [5] Зооспоры представляют собой уплощенные клетки, которые содержат чашеобразный зеленый хроматофор и два жгутика одинаковой длины, отходящие от базального тельца и простирающиеся за пределы длины тела. [12] [14] Они содержат одну сократительную вакуоль, ядро, диктиосому, хлоропласт и один митохондриальный ретикулум или разветвленные митохондрии, связанные с микротельцем. [14] У некоторых видов есть стигма (глазковые пятна), которая помогает ориентировать зооспоры в сторону высокой интенсивности света. [5] Существует два типа цистерн эндоплазматического ретикулума. Один тип соединяется с двумя базальными тельцами и одним ядром. [14] Другой тип прикрепляется к левой и правой плазматической мембране на поверхности клетки. [14]
Деление клеток Trebouxia происходит путем расщепления хроматофора на две равные половины с последующим делением пиреноида. Пиреноид может либо делиться путем простого пережатия, либо может исчезнуть во время деления хроматофора, как это наблюдается во время зооспорогенеза. [12] В некоторых клетках ядро делится до второго деления половин хроматофора, тогда как в других клетках оно делится после второго деления хроматофора, перемещаясь в центр клетки между половинками хроматофора. [12] Детали деления клеток изучены недостаточно, и необходимо провести больше исследований.
Trebouxia имеет сложный жизненный цикл. Детали жизненного цикла не изучены должным образом, и требуются дополнительные исследования. Размножение Trebouxia может происходить с помощью зооспор или автоспор. Зооспоры — это жгутиковые подвижные стадии внутри лишайников, которые мигрируют и оседают вблизи спор грибов при наличии жидкой воды. [12] [38] [39] [15] Скопление зооспор вокруг спор грибов может привести к секреции аттрактанта, который вызывает оседание зооспор. [40] [38] [39] [15] После того, как зооспоры оседают, они меняют форму и округляются, чтобы вписаться в сеть грибов. [5]
Первое деление клеток после заселения зооспор может привести либо к образованию зооспорангия/автоспорагия с 4–32 прикрепленными пакетами автоспор (тетрадами), либо к образованию дифференцированных вегетативных клеток. Эти дифференцированные вегетативные клетки позднее трансформируются в зооспорангий/автоспорангий с многочисленными мелкими автоспорами, но без прикрепленных пакетов или образования тетрад. [13] Образование автоспор может происходить двумя способами. Первый способ заключается в том, что виды с постоянным апланоспорическим (автоспоровым) состоянием останавливают развитие зооспор. [12] Деление хлоропласта сопровождается округлением и развитием клеточной стенки. [12] Во втором случае полигонально-подобные деления хлоропласта образуют репродуктивные дочерние клетки с клеточными стенками, независимыми от родительских клеток. [12] Образование апланоспор (автоспор) вторым способом приводит к развитию 16-32 спор в спорангии. [12]
В течение многих лет не наблюдалось никаких половых структур или наблюдений за половым размножением у Trebouxia . [41] [16]
Однако в последние (~2000) лет с помощью молекулярных методов были получены доказательства рекомбинации [16] и полового слияния гамет одинакового размера, что позволяет предположить наличие полового размножения. [5] Зиготы, в отличие от зооспор, имеют диаметр 6,6 мкм и гладкие стенки с двумя круглыми хлоропластами. [5] Сначала гаметы объединяются в пары и сливаются друг с другом, что приводит к образованию зигот. [5] Затем жгутики исчезают, и зигота развивается по нормальной вегетативной схеме. [5]
Первоначально считалось, что гриб подавляет половое размножение Trebouxia , чтобы подавить образование новых генотипов, которые могут быть менее пригодны для симбиоза. [16] Однако недавно (~2000) было высказано предположение, что Trebouxia с большей вероятностью будут размножаться половым путем в слоевище лишайника. [5] Более того, гаметы из разных видов Trebouxia могут покидать слоевище и сливаться, образуя гибриды, или делиться бесполым путем, образуя микроколонии, которые впоследствии могут быть лихенизированы спорами грибов. [5]
Дополнительные доказательства наличия жизнеспособных спор грибов и спор Trebouxia в фекалиях клещей, питающихся лишайниками, дают представление о способах распространения на короткие и большие расстояния. [42]
Симбиоз между Trebouxia и грибами привел к трем событиям горизонтального переноса генов , кодирующих белок, из генома гриба в геном Trebouxia . [19] Внутри лишайника горизонтальный перенос генов может также происходить среди фотобионтов. [5] Были задокументированы события горизонтального переноса генов интронов между различными видами Trebouxia . [5] Многие интроны могут самосплайсироваться или обращать реакцию сплайсинга или приобретать подвижность на уровнях ДНК или РНК , что может опосредовать процесс переноса. [5] Предполагается, что горизонтальный перенос генов интронов происходит при прямом контакте клеток разных штаммов Trebouxia в незрелом слоевище лишайника. [5] Когда слоевище лишайника созревает, остается только один штамм Trebouxia , а другие устраняются. [5] Вирусы, которые заражают Trebouxia и грибы, также способствуют горизонтальному переносу генов между различными видами фикобионтов. [5] Кроме того, были разработаны различные методы для идентификации различных штаммов Trebouxia в талломах лишайников. Сравнения последовательностей рДНК (внутренние транскрибированные спейсерные регионы рекомбинантной ДНК) с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) являются простыми и быстрыми способами идентификации различных видов Trebouxia , которые обитают в талломе. [5]
Известно, что наиболее распространенным фотобионтом в современных лишайниках является Trebouxia . Ископаемые лишайники из нижнего девона (415 миллионов лет назад) состоят из слоев водорослей или цианобактерий и грибов. [8] Благодаря анализу сканирующей электронной микроскопии , шаровидная структура фотобионтов в виде лишайника Chlorolichenomycites salopensis в нижнем девоне выглядит похожей на вид Trebouxia . [8]
Одними из первых организмов, колонизировавших наземные среды обитания, были лишайники. Лишайники, наряду с несколькими другими организмами, привнесли фиксацию азота и фотосинтез в наземную среду примерно 450 миллионов лет назад. [9] Они сыграли значительную роль в создании суровой наземной среды, пригодной для колонизации других организмов, таких как наземные растения, животные и насекомые. [9] Даже сегодня лишайники делают многие непригодные экстремальные среды обитания более подходящими для видов, чтобы колонизировать и выжить. Лишайники увеличивают количество органического вещества и органического азота в почве, производя органическую кислоту, которая увеличивает выветривание горных пород. [9]
Кроме того, лишайники являются важнейшими биоиндикаторами нарушений среды обитания, качества пресной воды, загрязнения воздуха, показателей углекислого газа и долгосрочной экологической непрерывности нетронутых лесов. [10] [11] Лишайники также используются для датирования времени расхождения многих вымерших или существующих видов. [11] Более того, лишайники играют важную роль в исследованиях изменения климата и глобального потепления для понимания последствий увеличения выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ, в естественной среде. [10] Положение Trebouxia в основании пищевой цепи как первичного производителя имеет решающее значение для поддержания пресноводных, морских и наземных экосистем. [3]