Третій — не зайвий: у більшості лишайників присутні два гриби і водорость

Ріс. 1. Лишайник бріорія Фремонта (Bryoria fremontii). Зліва — загальний вид тіла (таллому) лишайника; фото © Stephen Sharnoff з сайту lichenportal.org. Праворуч — таллом великим планом; фото з сайту en.wikipedia.org

Міжнародна команда вчених за допомогою методів метагеноміки і метатранскриптоміки виявила, що до складу більшості кущових і листуватих лишайників крім аскоміцету і зеленої водорості входить третій компонент — дріжджі-базидіоміцети. Детально вивчені види їхніх клітин зосереджені в зовнішньому шарі кортексу. У різних групах лишайників присутні дріжджі різних видів, що відносяться до одного монофілетичного таксону рангу загону. Від кількості клітин дріжджів може залежати морфологія лишайника і вміст у ньому вторинних метаболітів, у тому числі отруйної вульпінової кислоти. Ці дані пояснюють, чому так складно відтворити нормальні таллами лишайників в лабораторії, використовуючи тільки аскоміцети і водорость.

Цього року виповнюється 150 років з моменту відкриття симбіотичної природи лишайників. До відкриття, яке здавалося сучасникам вражаючим і було зустрінуте з великою недовірою, за півтора століття ми звикли: всі знають зі шкільної лави, що лишайники — симбіоз гриба і водорості. У переважній більшості випадків гриб — представник аскоміцетів, а водорость — один з видів зелених водоростей (є й інші поєднання, але вони рідко зустрічаються серед кущистих і листуватих лишайників — так званих макролішайників, про яких далі піде мова).

Як же визначити «адресу» таких дивних організмів у системі живої природи? Багато вчених виділяли лишайники в особливий тип (відділ) або навіть царство. Але зараз, в епоху панування кладистики, лишайники вже не вважаються таксоном. Навіть якщо не брати до уваги нечисленні види, де гриб відноситься до базидіоміцетів, лишайники — поліфілетична група. «Лишайниковий» спосіб життя багато разів виникав незалежно в різних еволюційних лініях аскоміцетів, втрачався і виникав знову. Видові ознаки лишайників залежать від грибного компонента: види грибів у різних видах лишайників різні, а водорості можуть бути однакові. Тож лишайники — це гриби, які живуть у симбіозі з водоростями.

У багатьох лишайниках є і третій компонент — ціанобактерія. Здатність ціанобактерій до азотфіксації особливо вигідна для лишайника — адже все харчування, включаючи мінеральні солі, його тіло (таллом) отримує тільки з атмосфери, з пилом і опадами. Присутні в лишайниках і інші мікроорганізми: наприклад, численні бактерії (зараз з’явилася можливість вивчати їх набір в різних лишайниках), а іноді і «додаткові» види грибів. Але ці «зайві» гриби, як здавалося, зазвичай були паразитами, епібіонтами (тобто організмами, які просто живуть на поверхні інших організмів) або взагалі випадковими «домішками». У науці міцно затвердилася концепція «один гриб — один лишайник».

Але виявилося, що ця концепція неправильна. Її спростовує стаття, опублікована цього літа міжнародною групою дослідників у журналі Science. Гриб не один — їх два: у більшості «аскоміцетних» лишайників присутній другий грибний компонент, дріжджеподібний базидіоміцет.

Історія цього відкриття почалася в 2011 році, коли один з його співавторів, Тобі Спрайбілл (Toby Spribille), повернувся в рідну Монтану після навчання в Геттінгенському університеті. (Цікава деталь його біографії: в інститут його прийняли як виняток — у нього не було шкільного атестата. Колись таке було можливо і в СРСР — так, великий математик І. М. Гельфанд став аспірантом МДУ, не маючи ні закінченої середньої, ні вищої освіти.). У лабораторії Джона Маккатчіна (John P. McCutcheon) Спрайбілл зайнявся вивченням епіфітного лишайника — бріорії Фремонта (Bryoria fremontii, рис. 1).

У цього лишайника є два різновиди (морфи). Одна морфа їстівна, а друга, колись описана як окремий вид B. tortuosa, малозъедобна через токсичну вульпінову кислоту (vulpinic acid). У їстівної морфи таллом зазвичай бурий, а у неїстівної — жовтуватий; є між ними і деякі відмінності в будові.

Геноми (точніше, метагеноми — адже в лишайнику як мінімум два організми) цих двох морф вже вивчали раніше. Ніяких відмінностей в послідовностях генів не виявилося. Перевіривши ці дані, автори статті підтвердили їх — кореляцій між однонуклеотидними поліморфізмами транскриптів і характерним фенотипом двох морф знайти не вдалося. Тоді було вирішено кількісно досліджувати метатранскриптоми, щоб виявити можливі відмінності в рівні експресії генів. Коли порівняли транскриптоми аскоміцету і водорості, відмінностей знайти теж не вдалося. Але Спрайбілл вирішив перевірити секвеновані послідовності на збіг з базами даних по всіх грибах. І тут з’ясувалося, що 500 послідовностей, характерних для базидіоміцетів, у більшій кількості присутні в талломах жовтої морфи.

Наступним кроком стала перевірка специфічності передбачуваного базидіоміцету. Щоб встановити, чи присутній він у інших лишайників, за послідовностями рРНК були синтезовані праймери для рДНК (18S і 28S). В інших лишайниках, що ростуть по сусідству з Bryoria fremontii, теж були виявлені базидіоміцети. Але і в Монтані, і на півночі Європи це були базидіоміцети, що відрізняються за послідовностями ДНК від характерних для бриорії.

Складалося враження, що специфічні базидіоміцети присутні в багатьох лишайниках. Щоб переконатися в цьому, автори перевірили на наявність генів базидіоміцетів всі основні лінії макролішайників з класу Lecanoromycetes. Послідовності ДНК споріднених (але різних) базидіоміцетів були знайдені у представників 52 пологів лишайників з усіх шести континентів, у тому числі у 42 з 56 пологів багатого видами сімейства Parmeliaceae.

Складене за багатьма локусами філогенетичне дерево показало, що базидіоміцети з лишайників близькі до роду Cystobasidium (серед його представника є паразити грибів, а також види, здатні викликати інфекції у людини). Нещодавно виділені зі складу Cystobasidium види роду Cyphobasidium сформували монофілетичну поклажу з знову виявленими видами з лишайників. Раніше відомі види цього роду теж живуть у лишайниках (гіпогімнії та усніше) і формують на їхніх талломах галли, на яких розвиваються базидії. Нові види цієї поклажі, на думку авторів, належать до різних родин і заслуговують виділення в окремий загін Cyphobasidiales ord. nov., короткий формальний опис якого дано в статті.

Оцінки за допомогою методу молекулярних годинників показують, що відокремлення цього загону від найближчих родичів відбулося приблизно в той же час, що і розбіжність трьох груп макролішайників, в яких присутні представники Cyphobasidiales — близько 200 млн років тому. Мабуть, базидіоміцети — стародавній компонент макролішайників.

Де ж сидять ці загадкові базидіоміцети і чому їх ніхто раніше не бачив? Спочатку їх не вдалося побачити і авторам статті. Не вдалося їх також виділити з талломів і культивувати окремо. Щоб їх виявити, знадобилося застосувати метод FISH (fluorescent in situ hybridization).

За допомогою флуоресцентних зондів до рРНК базидіоміцету вдалося показати, що його дріжджеподібні клітини знаходяться в кортексі — щільному зовнішньому шарі таллому (рис. 2). Там вони утворюють найбільш зовнішній шар (у деяких лишайників його називають епікортекс).

Ріс. 2. А — SEM-фотографія нитки таллому Bryoria capillaris, довжина масштабного відрізка — 200 мкм. В — зріз нитки цього лишайника, пофарбований методом флуоресцентної гібридизації in situ. Зеленим кольором флуоресціюють клітини базидіоміцету, синім — гіфи аскоміцету, червоний колір — автофлуоресценція хлорофілу водорості. Праворуч і зверху — результати реконструкції зрізу за тривимірною картиною, укладеною між вертикальними білими лініями. З — клітини дріжджеподібних базидіоміцетів, довжина масштабного відрізка 5 мкм. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Виявилося, що це типові дріжджові клітини діаметром 3-4 мкм, вмуровані в щільний матрикс з полісахаридів. На скануючих електронних мікрофотографіях їх не видно через це матриксу, а на поперечних зрізах вони невідгукриті від гіфів аскоміцету.

Автори пояснюють, чому неправдиві результати ПЛР могли заважати виявленню генів базидіоміцетів (ми не будемо вникати в методичні тонкощі). Але вони цілком справедливо зауважують, що насправді ці гени могли і виявлятися, але дослідники «не вірили» в їх наявність і вважали результатом випадкового забруднення.

А що ж дві морфи бріорії? Як і показували початкові дані транскриптоміки, у жовтої морфи в кортексі клітин базидіоміцетів виявилося значно більше. Як саме вони викликають накопичення вульпінової кислоти, поки невідомо (шлях синтезу цього метаболіту не розшифрований, і відповідні гени важко вивчати). Можна тільки припускати, що й інші вторинні метаболіти лишайників (наприклад, уснінова кислота) накопичуються не без участі базидіоміцету. Про це говорять, зокрема, досліди з відтворення лишайників у лабораторії: у «синтезованих» з аскоміцету і водорості талломах цей метаболіт зазвичай не накопичується.

До речі, отримані результати логічно пояснюють, чому так важко відтворити нормальний таллом, використовуючи стерильні культури аскоміцету і водорості. Від наявності кортексу багато в чому залежить і морфологія лишайника, і його здатність всмоктувати воду з поживними речовинами. А здатність формувати повноцінний кортекс може залежати від наявності другого гриба.

Аксіома «один гриб — один лишайник» настільки міцно встоялася, що була прийнята як основа всієї таксономії і номенклатури лишайників. Тому нове відкриття, можна сказати, стрясає самі основи науки про лишайників — ліхенології. Тепер лихенологам доведеться враховувати і другий гриб. Що якщо у двох лишайників аскоміцет виявиться однаковий, а базидіоміцети — різні? Поки такі випадки не описані, але морально готуватися до такої ситуації вже можна.

Джерело: Toby Spribille, Veera Tuovinen, Philipp Resl, Dan Vanderpool, Heimo Wolinski, M. Catherine Aime, Kevin Schneider, Edith Stabentheiner, Merje Toome-Heller, Göran Thor, Helmut Mayrhofer, Hanna Johannesson, John P. McCutcheon. Basidiomycete yeasts in the cortex of ascomycete macrolichens // Science. 2016. V. 353. P. 488–492. DOI: 10.1126/science.aaf8287.

Див. також:

1) Ed Yong. How a Guy From a Montana Trailer Park Overturned 150 Years of Biology//The Atlantic.2)

Взаємовигідний симбіоз гриба і водорості може сформуватися миттєво, «Елементи», 07.07.2014.3)

А. В. Марков. Співпраця в еволюції//« Екологія і життя », № 7-8, 2009.

Сергій Глаголєв