stringtranslate.com

Хлорофитовые

Chlorophyta (от греч. chloros  — «желто-зеленый» и phyton  — «растение») [8] — это подразделение зеленых водорослей, неофициально называемое хлорофитами . [9]

Описание

Хлорофиты — это эукариотические организмы, состоящие из клеток с различными оболочками или стенками, и обычно с одним зеленым хлоропластом в каждой клетке. [4] Они структурно разнообразны: большинство групп хлорофитов являются одноклеточными , например, самые ранние расходящиеся празинофиты , но в двух основных классах ( Chlorophyceae и Ulvophyceae ) наблюдается эволюционная тенденция к различным типам сложных колоний и даже многоклеточности . [8]

Упрощенная схема клетки хлорофита, объединяющая структуры, наблюдаемые во всем типе: 1) жгутик; 2) синистосома с волокнами, прикрепленными к паре базальных телец; 3) базальное тельце; 4) микротрубочковый корешок, относящийся к расположению «X-2-X-2», в данном случае 4-2-4-2 (показаны только передние корешки); 5) жгутиковая ямка (показаны только два из четырех жгутиков); 6) ризопласты; 7) аппарат Гольджи; 8) эндоплазматический ретикулум и ядерная оболочка; 9) аппарат глазкового пятна; 10) ядро ​​с ядрышком; 11) пиреноид; 12) митохондрия; 13) крахмальное зерно; 14) вакуоль; 15) наружная мембрана хлоропласта; 16) внутренняя мембрана хлоропласта; 17) тилакоид; 18) клеточная мембрана.
Упрощенная схема клетки хлорофита, объединяющая структуры, наблюдаемые во всем типе: 1) жгутик ; 2) синистосома с волокнами, прикрепленными к паре базальных телец; 3) базальное тельце ; 4) микротрубочковый корешок, относящийся к расположению «X-2-X-2», в данном случае 4-2-4-2 (показаны только передние корешки); 5) жгутиковая ямка (показаны только два из четырех жгутиков); 6) ризопласты ; 7) аппарат Гольджи ; 8) эндоплазматический ретикулум и ядерная оболочка ; 9) аппарат глазкового пятна ; 10) ядро ​​с ядрышком ; 11) пиреноид ; 12) митохондрия ; 13) крахмальное зерно; 14) вакуоль ; 15) наружная мембрана хлоропласта ; 16) внутренняя мембрана хлоропласта; 17) тилакоид ; 18) клеточная мембрана .

Хлоропласты

Клетки хлорофита содержат зеленые хлоропласты, окруженные двойной мембранной оболочкой. Они содержат хлорофиллы a и b , а также каротиноиды каротин , лютеин , зеаксантин , антераксантин , виолаксантин и неоксантин , которые также присутствуют в листьях наземных растений . Некоторые специальные каротиноиды присутствуют в определенных группах или синтезируются при определенных факторах окружающей среды, таких как сифонаксантин, празиноксантин, эхиненон, кантаксантин , лороксантин и астаксантин . Они накапливают каротиноиды при дефиците азота, высокой интенсивности солнечного света или высокой солености. [10] [11] Кроме того, они хранят крахмал внутри хлоропласта в качестве запаса углеводов . [8] Тилакоиды могут появляться поодиночке или в стопках. [4] В отличие от других отделов водорослей, таких как Ochrophyta , у хлорофитов отсутствует эндоплазматический ретикулум хлоропластов. [12]

Жгутиковый аппарат

Хлорофиты часто образуют жгутиковые клетки, которые обычно имеют два или четыре жгутика одинаковой длины, хотя у празинофитов гетероморфные (т.е. имеющие разную форму) жгутики обычны, поскольку в одной и той же клетке отображаются разные стадии созревания жгутиков. [13] Жгутики были независимо утрачены в некоторых группах, таких как Chlorococcales . [8] Жгутиковые клетки хлорофитов имеют симметричные крестообразные («крестообразные») корневые системы, в которых ресничные корешки с переменным большим количеством микротрубочек чередуются с корешками, состоящими всего из двух микротрубочек; это образует расположение, известное как расположение «X-2-X-2», уникальное для хлорофитов. [14] Они также отличаются от стрептофитов местом, где вставляются их жгутики: непосредственно в вершину клетки, тогда как жгутики стрептофитов вставляются по бокам вершины клетки (субапикально). [15]

Под жгутиковым аппаратом празинофитов находятся ризопласты , сократительные мышечноподобные структуры, которые иногда соединяются с хлоропластом или клеточной мембраной. [13] У основных хлорофитов эта структура соединяется непосредственно с поверхностью ядра. [16]

На поверхности жгутиков отсутствуют микротрубчатые волоски, но у некоторых родов присутствуют чешуйки или фибриллярные волоски. [11] У самых ранних ветвящихся групп жгутики часто покрыты по крайней мере одним слоем чешуек, если не голые. [13]

Метаболизм

Хлорофиты и стрептофиты различаются по ферментам и органеллам, участвующим в фотодыхании . Водоросли-хлорофиты используют дегидрогеназу внутри митохондрий для переработки гликолата во время фотодыхания. Напротив, стрептофиты (включая наземные растения) используют пероксисомы , содержащие гликолатоксидазу , которая превращает гликолат в гликоксилат, а перекись водорода, образующаяся в качестве субпродукта, восстанавливается каталазами , расположенными в тех же органеллах. [17]

Размножение и жизненный цикл

Бесполое размножение широко распространено у хлорофитов. Среди основных хлорофитов обе одноклеточные группы могут размножаться бесполым путем с помощью автоспор , [18] безстеночных зооспор, [19] фрагментации, простого деления клеток и, в исключительных случаях, почкования. [20] Многоклеточные талломы могут размножаться бесполым путем с помощью подвижных зооспор, [21] неподвижных апланоспор , автоспор, фрагментации нитей, [22] дифференцированных покоящихся клеток, [23] и даже неспаренных гамет. [24] Колониальные группы могут размножаться бесполым путем с помощью образования автоколоний, где каждая клетка делится, образуя колонию с тем же количеством и расположением клеток, что и родительская колония. [25]

Многие хлорофиты ведут исключительно бесполое размножение, но некоторые демонстрируют половое размножение , которое может быть изогамным (то есть гаметы обоих полов идентичны), анизогамным (гаметы различны) или оогамным (гаметы являются сперматозоидами и яйцеклетками), с эволюционной тенденцией к оогамии. Их гаметы обычно представляют собой специализированные клетки, дифференцированные от вегетативных клеток , хотя у одноклеточных Volvocales вегетативные клетки могут одновременно функционировать как гаметы. Большинство хлорофитов имеют диплонтический жизненный цикл (также известный как зиготический), где гаметы сливаются в зиготу, которая прорастает, растет и в конечном итоге подвергается мейозу, чтобы произвести гаплоидные споры (гаметы), подобно охрофитам и животным . Некоторые исключения демонстрируют гаплодиплонтический жизненный цикл , где происходит чередование поколений, подобно наземным растениям. [26] Эти поколения могут быть изоморфными (то есть иметь схожую форму и размер) или гетероморфными. [27] Образование репродуктивных клеток обычно не происходит в специализированных клетках, [28] но некоторые Ulvophyceae имеют специализированные репродуктивные структуры: гаметангии, для производства гамет, и спорангии, для производства спор. [27]

Самые ранние расходящиеся одноклеточные хлорофиты (празинофиты) производят покрытые стенкой устойчивые стадии, называемые цистами или стадиями «фикомы» перед размножением; в некоторых группах цисты достигают 230 мкм в диаметре. Чтобы развить их, жгутиковые клетки формируют внутреннюю стенку, выбрасывая наружу слизистые пузырьки, повышают уровень липидов в цитоплазме для повышения плавучести и, наконец, развивают внешнюю стенку. Внутри цист ядро ​​и цитоплазма подвергаются делению на многочисленные жгутиковые клетки, которые высвобождаются путем разрыва стенки. У некоторых видов эти дочерние клетки, как было подтверждено, являются гаметами; в противном случае половое размножение у празинофитов неизвестно. [29]

Экология

Свободноживущий

Зеленые водоросли на прибрежных камнях в Шихтипине, Тайвань

Хлорофиты являются важной частью фитопланктона как в пресноводных, так и в морских местообитаниях, фиксируя более миллиарда тонн углерода каждый год. Они также живут как многоклеточные макроводоросли , или морские водоросли , поселяющиеся вдоль скалистых берегов океана. [8] Большинство видов Chlorophyta являются водными, распространенными как в морской, так и в пресноводной среде. Около 90% всех известных видов живут в пресной воде. [30] Некоторые виды приспособились к широкому спектру наземных сред. Например, Chlamydomonas nivalis живет на летних альпийских снежных полях, а виды Trentepohlia живут, прикрепленные к камням или древесным частям деревьев. [31] [32] Несколько видов приспособились к специализированным и экстремальным средам, таким как пустыни, арктические среды, гиперсоленые среды обитания, морские глубокие воды, глубоководные гидротермальные источники и среды обитания, которые испытывают экстремальные изменения температуры, света и солености. [33] [34] [35] Некоторые группы, такие как Trentepohliales , встречаются исключительно на суше. [36] [37]

Симбионты

Несколько видов Chlorophyta живут в симбиозе с разнообразными эукариотами , включая грибы (чтобы образовывать лишайники ), инфузории , фораминиферы , книдарии и моллюски . [32] Некоторые виды Chlorophyta являются гетеротрофными , свободноживущими или паразитическими . [38] [39] Другие являются миксотрофными бактериофагами посредством фагоцитоза . [40] Два распространенных вида гетеротрофных зеленых водорослей Prototheca являются патогенными и могут вызывать заболевание прототекоз у людей и животных. [41]

За исключением трех классов Ulvophyceae , Trebouxiophyceae и Chlorophyceae в кладе UTC , которые демонстрируют различную степень многоклеточности, все линии Chlorophyta являются одноклеточными. [42] Некоторые члены группы образуют симбиотические отношения с простейшими , губками и книдариями. Другие образуют симбиотические отношения с грибами, образуя лишайники , но большинство видов являются свободноживущими. Все члены клады имеют подвижные жгутиковые плавающие клетки. [43] Monostroma kuroshiense , съедобная зеленая водоросль, выращиваемая по всему миру и самая дорогая среди зеленых водорослей, принадлежит к этой группе.

Систематика

Таксономическая история

Первое упоминание о Chlorophyta принадлежит немецкому ботанику Генриху Готлибу Людвигу Рейхенбаху в его работе 1828 года Conspectus regni vegetabilis . Под этим названием он объединил все водоросли, мхи (musci) и папоротники (filices), а также некоторые семенные растения ( Zamia и Cycas ). [44] Такое использование не получило популярности. В 1914 году богемский ботаник Адольф Пашер изменил название, чтобы оно охватывало исключительно зеленые водоросли , то есть водоросли, которые содержат хлорофиллы a и b и запасают крахмал в своих хлоропластах . [45] Пашер разработал схему, в которой Chlorophyta состояла из двух групп: Chlorophyceae, которая включала водоросли, теперь известные как Chlorophyta, и Conjugatae , которые теперь известны как Zygnematales и принадлежат к кладе Streptophyta , из которой произошли наземные растения. [3] [46]

В течение 20-го века возникло много различных схем классификации для Chlorophyta. Система Смита , опубликованная в 1938 году американским ботаником Гилбертом Морганом Смитом , различала два класса: Chlorophyceae, включавшие все зеленые водоросли (одноклеточные и многоклеточные), которые не росли через апикальную клетку ; и Charophyceae, включавшие только многоклеточные зеленые водоросли, которые росли через апикальную клетку и имели специальные стерильные оболочки для защиты половых органов. [47]

С появлением исследований с помощью электронной микроскопии ботаники опубликовали различные предложения по классификации, основанные на более тонких клеточных структурах и явлениях, таких как митоз , цитокинез , цитоскелет , жгутики и полисахариды клеточной стенки . [48] [49] Британский ботаник Фрэнк Эрик Раунд  [nl] предложил в 1971 году схему, которая отличает Chlorophyta от других отделов зеленых водорослей Charophyta, Prasinophyta и Euglenophyta. Он включил четыре класса хлорофитов: Zygnemaphyceae , Oedogoniophyceae, Chlorophyceae и Bryopsidophyceae. [50] Другие предложения сохранили Chlorophyta как содержащие все зеленые водоросли и отличались друг от друга по количеству классов. Например, предложение Мэттокса и Стюарта 1984 года включало пять классов [48], тогда как предложение Болда и Уайнна 1985 года включало только два [51] , а предложение Кристиана ван ден Хука и соавторов 1995 года включало до одиннадцати классов [45] .

Современное использование названия «Chlorophyta» было установлено в 2004 году, когда фикологи Льюис и МакКорт четко отделили хлорофиты от стрептофитов на основе молекулярной филогенетики . Все зеленые водоросли, которые были более тесно связаны с наземными растениями, чем с хлорофитами, были сгруппированы в парафилетическое подразделение Charophyta . [46]

Среди зеленых водорослей самые ранние ветвистые линии были сгруппированы под неформальным названием « празинофиты », и все они, как полагали, принадлежали к кладе Chlorophyta. [46] Однако в 2020 году исследование выявило новую кладу и подразделение, известное как Prasinodermophyta , которое содержит две линии празинофитов, ранее считавшихся хлорофитами. [52] Ниже приведена кладограмма, представляющая текущее состояние классификации зеленых водорослей: [53] [52] [54] [55]

Классификация

Представители всех ныне живущих классов хлорофитов

В настоящее время принято одиннадцать классов хлорофитов, которые представлены здесь в алфавитном порядке с некоторыми их характеристиками и биоразнообразием :

Эволюция

В феврале 2020 года в северной провинции Ляонин , Китай , были обнаружены окаменелые останки зеленой водоросли, названной Proterocladus antiquus . Считается, что ей около миллиарда лет, и она является одним из древнейших образцов многоклеточного хлорофита. В настоящее время она классифицируется как представитель порядка Siphonocladales , класса Ulvophyceae . [1] В 2023 году исследование рассчитало молекулярный возраст зеленых водорослей, откалиброванный по этой окаменелости. Исследование оценило происхождение Chlorophyta в мезопротерозойскую эру, примерно 2,04–1,23 миллиарда лет назад. [55]

Использование

Модельные организмы

Среди хлорофитов небольшая группа, известная как вольвоксиновые зеленые водоросли, исследуется для понимания происхождения клеточной дифференциации и многоклеточности . В частности, одноклеточный жгутиконосец Chlamydomonas reinhardtii и колониальный организм Volvox carteri являются объектами интереса из-за общих гомологичных генов , которые у Volvox напрямую участвуют в развитии двух различных типов клеток с полным разделением труда между плаванием и размножением, тогда как у Chlamydomonas существует только один тип клеток, который может функционировать как гамета . Другие виды вольвоксиновых, с промежуточными признаками между этими двумя, изучаются для дальнейшего понимания перехода к клеточному разделению труда, а именно Gonium pectorale , Pandorina morum , Eudorina elegans и Pleodorina starrii . [73]

Промышленное использование

Микроводоросли хлорофиты являются ценным источником биотоплива и различных химикатов и продуктов в промышленных количествах, таких как каротиноиды , витамины и ненасыщенные жирные кислоты . Род Botryococcus является эффективным производителем углеводородов, которые преобразуются в биодизель . Различные роды ( Chlorella , Scenedesmus , Haematococcus , Dunaliella и Tetraselmis ) используются в качестве клеточных фабрик биомассы, липидов и различных витаминов для потребления человеком или животными, и даже для использования в качестве фармацевтических препаратов. Некоторые из их пигментов используются в косметике. [74]

Ссылки

Цитаты

  1. ^ ab Tang et al. 2020.
  2. Рейхенбах 1828, стр. 23.
  3. ^ ab Pascher 1914.
  4. ^ abcde Adl et al. 2019, стр. 36.
  5. ^ Гайри 2024.
  6. ^ abcdefghijkl Guiry 2024, с. 5.
  7. ^ Папенфус 1955.
  8. ^ abcde Маргулис и Чепмен 2009, с. 200.
  9. ^ Роквелл и др. 2017.
  10. ^ Соловченко и др. 2010.
  11. ^ ab Lee 2018, стр. 309.
  12. ^ Ли 2018, стр. 310.
  13. ^ abc Graham et al. 2022, стр. 16–15.
  14. ^ Льюис и МакКорт 2004, стр. 1537.
  15. ^ Грэм и др. 2022, стр. 16–10.
  16. ^ Ямашита и Балушка 2023, с. 2.
  17. ^ Грэм и др. 2022, стр. 16-11.
  18. ^ Грэм и др. 2022, стр. 17-8.
  19. ^ Грэм и др. 2022, стр. 17-11.
  20. ^ Грэм и др. 2022, стр. 17-9.
  21. ^ Грэм и др. 2022, стр. 18-8.
  22. ^ Грэм и др. 2022, стр. 19-3.
  23. ^ Грэм и др. 2022, стр. 18-19.
  24. ^ Грэм и др. 2022, стр. 18-29.
  25. ^ Грэм и др. 2022, стр. 19-14.
  26. ^ Грэм и др. 2022, стр. 16-13.
  27. ^ ab Graham et al. 2022, стр. 18-14.
  28. ^ Ли 2018, стр. 318.
  29. ^ Грэм и др. 2022, стр. 16-17.
  30. ^ Ли 2018.
  31. ^ Грэм и др. 2022.
  32. ^ abc Лелиарт и др. 2012.
  33. ^ Льюис и Льюис 2005.
  34. ^ Де Вевер и др. 2009.
  35. ^ Лелиарт, Вербрюгген и Зехман, 2011.
  36. ^ Лопес-Баутиста, Ринди и Гири 2006.
  37. ^ Фофлонкер и др. 2016.
  38. Жубер и Рейкенберг 1971.
  39. ^ Неделку 2001.
  40. ^ Андерсон, Чарвет и Хансен 2018.
  41. ^ Тартар и др. 2002.
  42. ^ Умен 2014.
  43. ^ Капраун 2007.
  44. Рейхенбах 1828, стр. 23–40.
  45. ^ Аб ван ден Хук, Манн и Янс, 1995.
  46. ^ abc Льюис и МакКорт 2004.
  47. Смит 1938, стр. 12.
  48. ^ ab Mattox & Stewart 1984.
  49. ^ Лоббан и Винн 1981, стр. 88.
  50. Раунд 1971.
  51. Болд и Уинн, 1985.
  52. ^ ab Ли и др. 2020.
  53. ^ abc Лопес душ Сантуш и др. 2017.
  54. ^ Гулбрандсен и др. 2021.
  55. ^ ab Янг и др. 2023.
  56. ^ Хори, Норрис и Чихара 1986.
  57. ^ abcdef Adl et al. 2019, стр. 37.
  58. ^ Грэм и др. 2022, стр. 17-2.
  59. ^ abc Домозыч и др. 2012.
  60. ^ Адл и др. 2019, с. 36–37.
  61. ^ Грэм и др. 2022, стр. 19-2–19-5.
  62. ^ Шривастава 2002.
  63. ^ Марин и Мелконян 2010.
  64. ^ Накаяма и др. 2007.
  65. ^ Ямагучи и др. 2010.
  66. ^ Марин 2012.
  67. ^ Грэм и др. 2022, стр. 17-3.
  68. ^ Левин и др. 2000.
  69. ^ Даугбьерг, Фассель и Моэструп 2020.
  70. ^ Фучикова, Пажутова и Ринди 2015.
  71. ^ Грэм и др. 2022, стр. 17-4–17-11.
  72. ^ Грэм и др. 2022, стр. 18-2–18-24.
  73. ^ Нисии и Миллер 2010.
  74. ^ Боделе и др. 2017.

Цитируемая литература

Дальнейшее чтение