КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-14-00515

НазваниеГетеротрофные корни филогенетического древа эукариот: морфологическое и геномное исследование анцестральных линий простейших.

РуководительТихоненков Денис Викторович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д.Папанина Российской академии наук, Ярославская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г. 

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-101 - Зоология

Ключевые словапростейшие, протисты, гетеротрофные жгутиконосцы, ультраструктура клеток, молекулярная филогения, эволюция эукариот, ризарии, альвеоляты

Код ГРНТИ34.33.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время остро встают вопросы о происхождении, ранней радиации и эволюции основных макротаксонов эукариот: Amoebozoa (лобозные, раковинные амебы и др.), Opisthokonta (животные, воротничковые жгутиконосцы, грибы и др.), Excavata (эвгленозои, полимастигины, гетеролобозные амебы и др.), Archaeplastida (высшие растения, красные, зеленые водоросли и др.), SAR (Stramenopiles, Alveolata, Rhizaria), и таксоны Incertae sedis. Основные проблемы в плане разрешения филогении, происхождения и эволюции макротаксонов связаны с отсутствием данных по организмам, находящимся в основании филогенетических ветвей эукариот. Одноклеточные гетеротрофные жгутиконосцы, как древнейшие и наиболее просто устроенные эукариоты, являются наиболее перспективными кандидатами, изучение которых может способствовать решению данных проблем. В русле симбиогенетической теории происхождения клеточных органелл (пластид и митохондрий), особенно интересны фаготрофные жгутиконосцы, в т.ч. редкие в природных пробах эукариотрофы, питающиеся другими простейшими и микроводорослями. Потенциально эти организмы, представляя глубокие филогенетические линии, могут прояснить эволюционную историю и происхождение крупных таксонов эукариот и их важнейших признаков, а так же способствовать превращению нынешней «розетки» из 5-12 лепестков (ветвей) в оформленное филогенетическое дерево, что крайне важно для современной биологии и соответствует уровню актуальных (пока нерешенных) для мировой науки задач. До настоящего времени достоверно не установлено, где находится корень филогенетического древа эукариотических организмов: той самой древней точки на древе, которая соответствует общему предку всех эукариот. Поиск и изучение жгутиковых протистов, представляющих собой анцестральные (предковые) линии по отношению к современным макротаксонам, способствуют решению данной проблемы. Выявление корня древа и, следовательно, определение первого ветвления на филогенетической схеме, позволило бы узнать порядок ветвления остальных групп и общую направленность эволюции всех эукариотических организмов. В рамках данного проекта предлагается изучить ультратонкое строение клеток и провести молекулярные исследования эволюционно консервативных генов, транскриптомов, геномов клеточных органелл ранее не исследованных жгутиковых протистов. В работе будут использованы уже имеющиеся живые культуры (более 20) неописанных новых видов жгутиконосцев – представителей глубоких линий различных макротаксонов эукариот (рис. 1). Также предполагается получить дополнительные изоляты из разнотипных биотопов. Ожидается, что данные по ультраструктуре клеток, транскриптомам и митохондриальным геномам организмов, представляющих ранние линии филогенетического древа эукариот, позволят предположить (воссоздать) образ жизни и питание гипотетического предка той или иной супергруппы, что будет способствовать реконструированию возможных сценариев и путей начальной радиации и эволюции крупнейших монофилетических групп эукариот (Alveolata, Rhizaria, Opisthokonta, Excavata, Apusozoa). В результате совместного применения молекулярного и ультраструктурно-морфологического подходов к изучению филогении, будут получены принципиально новые данные, показывающие пути возникновения и развития уникальных клеточных и геномных инноваций, таких как эволюционная редукция геномов клеточных органелл, возникновение неуниверсальности (неканоничности) генетического кода, апикальный комплекс и органеллы клеточной инвазии, ядерный дуализм, структура и функции теломер, лидерные РНК (spliced leaders) и др. Полученные данные позволят прийти к пониманию нерешенных теоретических задач о происхождении пластид с различным числом мембран (например, в группе SAR) и клеточных микротрубочковых органелл, ведущих к питанию мизоцитозом (высасывание клетки), свойственного многим кровепаразитам.

Ожидаемые результаты
Основным предполагаемым результатом работ будет реконструкция возможных путей начальной радиации и эволюции крупнейших макротаксонов эукариот (Alveolata, Rhizaria, Opisthokonta, Excavata, Apusozoa) на основании синтеза молекулярных и ультраструктурных данных по жгутиковым протистам, представляющим ранние линии филогенетического древа эукариот. Морфологические и геномные исследования одноклеточных флагеллят, как древнейших и наиболее просто устроенных организмов, имеют огромное значение, проясняя происхождение крупных таксонов и их важнейших клеточных признаков, а также эволюционные изменения генома, строения цитоскелета, клеточных органелл и покровов при переходе к тому или иному образу жизни или способу организации. Результаты исследований будут способствовать решению ряда важных фундаментальных проблем, таких как возникновение паразитизма у протистов, явления неканонического генетического кода в ядре, а также построение общего филогенетического древа эукариот и установление его корня, что в свою очередь, имеет практическое значение для описания биоразнообразия, выявляемого на геномном уровне, и упорядочивания данных геномных проектов. Филогенетические построения, основанные на новых молекулярных и ультраструктурных данных, также будут способствовать пониманию путей образования новых пластидных органелл посредством вторичного эндосимбиоза, что необходимо для развития научных представлений об эволюционной истории пластид и эндосимбиогенезе в целом. Исследование митохондриальных геномов у базальных в отношении филогении организмов будет способствовать пониманию эволюционных путей редукции митохондриального генома в пределах различных линий эукариот, раскрывая природу переходных стадий в процессе поэтапного накопления новых признаков. Новые данные о начальной радиации и эволюции одноклеточных могут раскрыть происхождение уникальных клеточных и геномных новообразований эукариот, связанных с переходом к паразитическому и фотосинтетическому образу жизни. Результаты исследований в области ультраструктуры клеток и филогении на основании рибосомальных генов будут опубликованы в ведущих протистологических журналах (Protist (IF=4.140), Journal of Eukaryotic Microbiology (IF=2.162), European Journal of Protistology (IF=1.508)), а также Plos One (IF=3.730)). Мультигенный анализ, геномные данные и обобщающие филогенетические и таксономические построения, раскрывающие важные этапы эволюции эукариотических организмов могут быть опубликованы в ведущих высокорейтинговых научных журналах – Current Biology (IF=9.647), PloS Biology (IF=12.690), Proceedings of the National Academy of Sciences USA (IF=9.737), Molecular Biology and Evolution (IF=10.353), Genome Biology and Evolution (IF=4.759). Итоговые результаты работ по проекту также планируется опубликовать в виде монографии на русском языке.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Отобрано более 200 проб из разнотипных водных и почвенных местообитаний различных географических зон, исследовано видовое разнообразие гетеротрофных протистов. Выявлено более 100 видов и форм гетеротрофных жгутиконосцев из основных макротаксонов эукариот – Amoebozoa, Opisthokonta, Excavata, SAR (Stramenopiles, Alveolata, Rhizaria) и таксонов Incertae sedis. Выделены в клональные культуры не идентифицированные (новые виды и надвидовые таксоны) и плохо изученные организмы. Исследована их морфология и жизненный цикл. Получены результаты по ультратонкому строению таких организмов. Секвенированы ген SSU rRNА, а также транскриптомы и геномная ДНК наиболее филогенетически важных организмов на платформе Illumina. В частности, в пробах с кораллов нами обнаружена новая глубокая ветвь эукарит (клон TD). TD питается фаготрофно и охотится на мелких флагеллят (например, бодонид) используя крупный цитостом. Проведенные мультигенные (порядка 100 ядерных белков) молекулярно-филогенетические исследования показали, что данный организм не относится к известным макротаксонам эукариот и занимает глубокую эволюционную позицию среди Кортикат (эукариот, отличных от Юниконт (Unikonts) и Экскават (Excavates)), по-видимому представляя собой новый макротаксон протистов. Оболочка клетки данного организма имеет сложную многослойную структуру, иногда включающую альвеоли-подобные везикулы. Кристы митохондрий пластинчатые. В клетках TD обнаружены стрекательные органеллы неизвестного науке типа, состоящие из амфора-подобной структуры с семью цилиндрами внутри и якоревидной шляпки, разделенной на 7 секторов. Мы предлагаем новое название для данных стрекательных органелл – анкорацисты (anchoracysts, anchor – якорь), названные по якореобразной форме их головок. Митохондриальный геном клона TD представляется очень древним. Он кольцевой и содержит полный набор генов tRNA, а также 47 митохондриальных протеинов, один из которых был известен ранее только для Jakobida, другой – являлся специфичным для якобид и колпонемид. Митохондриальный геном изучаемого организма является вторым по величине из известных науке после якобид. В подходах к поиску корня эукариот на основе изучения митохондриальных геномов, якобиды всегда были в центре внимания как древнейшие организмы, поскольку известно, что это простейшие содержат самые крупные и наименее редуцированные митохондриальные геномы. Нам удалось обнаружить в природе новый организм со вторым по величине митохондриальным геномом из известных науке, однако располагающийся в диаметрально противоположной части филогенетического древа от якобид. Полученные нами данные дают возможность поставить вопрос, насколько андерсэмплинг и недостаточная изученность анцестральных линий простейших могут влиять на современные представления об эволюции митохондрий и эукариот. Из пересыхающей лужи в национальном парке Кат-Тьен (Южный Вьтенам) нами был выделен в клональную культуру уникальный хищный жгутиконосец – клон Colp-12. Секвенированы SSU rRNA и некоторые белок-колирующие гены. Предварительные молекулярно-филогенетические данные показывают, что этот организм является базальной линией опистоконт, предковой по отношению к многоклеточным. Данный протист по форме напоминает сперматозоид (округлая клетка 10 мкм в диаметре с единственным длинным задним жгутиком) и при этом является свободноживущим неколониальным хищником. Нами предполагается провести детальные исследования биологии, морфологии, ультраструктуры, жизненного цикла, а также транскриптома и геномной ДНК клона Colp-12. В последующем, среди секвенированных последовательностей будет произведен поиск гомологов генов, специфических или уникальных для многоклеточных (системы клеточной адгезии, передачи клеточных сигналов и регуляции). На основании новых молекулярных и ультраструктурных данных будет предпринята попытка выяснить раннюю филогению Opisthokonta и предложить возможный путь происхождения многоклеточных животных и их онтогенеза, а также выявить эволюционные преобразования генома одноклеточных, существенных в происхождении и становлении многоклеточности. Несколько глубоких филогенетических линий хищных церкозоев были выделены из пресных водоемов Вьетнама. Наиболее интересным является клон «Lapot-1». Мы секвенировали транскриптом данного организма, и установили, что он представляет собой глубокую ветвь ризарий и не относится к группам церкозоев, фораминифер и радиолярий, имеющим полную или высокую поддержу на филограмме. Точное филогенетическое положение клона «Lapot-1» пока не установлено, но возможно данный организм представляют собой базальную ветвь всех Rhizaria, и иллюстрирует анцестральную организацию клетки и генома, из которой эволюционировало все разнообразие представителей данного макротаксона эукариот, включая сотни тысяч важнейших для биосферы видов. Из солоноватых вод в Турции выделен необычный хищный жгутиконосец (клон PhM-4), напоминающий представителей Phylomitus и Rhynchobodo. Однако на основании филогении по гену SSU rRNA данный свободноживущий хищник группируется вместе с паразитическими и эндосимбионтными видами Ichtyobodo и Perkinsiella-like. Вместе с некоторыми природными сиквенсами, данные организмы занимают базальное филогенетическое положение среди всех кинетопластид. Последующие работы по данному организму могут оказаться важными в понимании происхождения и эволюции паразитизма в данной группе, а также эволюции митохондриального генома и необычного редактирования митохондриальных RNA у кинетопластид. Из гиперсоленого озера Дунино (окрестности г. Соль-Илецк) нами был описан новый вид амебофлагеллят Tulamoeba bucina n. sp., который является галотолерантным организмом и выдерживает перепады солености от 35‰ до 225‰, что крайне необычно для простейших. Филогенетический анализ показывает, что облигатные галофилы представляют независимые эволюционные линии. Нами проведен морфологический и молекулярно-филогенетический анализ Tulamoeba bucina. Установлено, что этот вид является близкородственным к облигатным галофилам Tulamoeba peronaphora и Pleurostomum flabellatum. На основании молекулярно-филогенетических построений нами выделено и описано новое семейство Tulamoebidae n. fam., которое, вероятно, подверглось адаптивной радиации в пределах гиперсолевой окружающей среды. Получены результаты по ультраструктуре клеток хищного жгутиконосца Colponema vietnamica, представляющего собой базальную, самую глубокую из известных к настоящем времени филогенетическую ветвь макротаксона Alveolata. На основании изучения строения клетки Colponema можно предположить, что общим предком всех альвеолятных протистов являлся свободноживущий хищный протист, напоминающий современных Colponema, характеризующийся двумя гетеродинамичными жгутиками, трубчатыми кристами митохондрий, задней пищеварительной вакуолью, стрекательными органеллами для активной охоты (токсицисты или трихоцисты), которые локализованы между субмембранными альвеолярными везикулами. Микротрубочковый цитоскелет, ассоциированный с пищевым аппаратом у многих других эволюционных линий эукариот (у экскават, страметопил, апузозоев, амебозоев, коллодиктионид, гаптофитовых и криптофитовых), сходен с таковым у Colponema, что возможно иллюстрирует анцестральное состояние строения клетки гипотетического предка всех эукариотических организмов. Нами был проведен анализ баз данных природных сиквенсов и были найдены последовательности, формирующие четыре родственные колпонемам группы, названные нами CRL (Colponema-related lineages). Из сухого песка Марокко нами выделен новый колпонема-подобный организм, который не соответствует природным сиквенсам, но представляет отдельную филогенетическую линию колпонемид. Начаты исследования ультратонкого строения клеток и транскриптома данного организма. Нами было исследовано распределение факторов элонгации среди супергруппы Alveolata. Ключевые компоненты в биосинтезе белка эукариот – трансляционный фактор элонгации EF1a и его паралог EF-like (EFL) характеризуются взаимоисключающим распределением в пределах различных эволюционных линий. Среди 3х главных таксонов альвеолят инфузории и споровики имеют EF1A, тогда как динофлагелляты – EFL. Текущие филогенетические данные предполагали наличие у базальных альвеолят (колподеллид, хромерид, колпонемид) фактора элонгации EF1A. Однако установлено, что 3 рода (хищные Colpodella, Voromonas и фотосинтетическая Chromera) имеют EFL, тогда как Vitrella, Alphamonas, Acavomonas и Colponema - EF1A. Следовательно, эволюция EF1A и EFL в группе Alveolata не может быть объяснена случаем простого горизонтального переноса генов или разделением генетических линий (lineage sorting). Нами предпринята попытка исследования происхождения паразитизма в группе Apicomplexa посредством изучения распределения некоторых ключевых характеристик среди их ближайших свободноживущих родственников – фотосинтетических хромерид и хищных (эукариотрофных) колподеллид. Эволюционный путь происхождения облигатных паразитических апикомплекс от свободноживущих предков не ясен. Анализ нуклеотидных последовательностей в ген банке неожиданно выявил наличие в природе большого числа природных сиквенсов, родственных апикомплексным паразитам. Среди близких родственников апикомплекс мы выбрали 5 ключевых видов (Colpodella, Voromonas, Alphamonas, Chromera, Vitrella) и секвенировали их транскриптомы. Филогеномный анализ на основании 85 ядерных белков показал, что фотосинтетические хромериды (Chromera и Vitrella) и хищные колподеллиды (Colpodella, Voromonas, Alphamonas) образуют единую монофилетическую группу, сестринскую по отношению к апикомплексным паразитам. Нами было выявлено наличие пластидных генов в транскриптомах всех гетеротрофных колподеллид. Более того, как у хромерид, так и у колподеллид выявлены многие белок-кодирующие гены, считавшиеся ранее специфичными для Apicomplexa и определяющие возможность паразитического образа жизни данных организмов. Можно предположить, что происхождение паразитизма у апикомплекс первоначально не связано с приобретением новых структур и компонентов, а скорее связано с потерей и модификацией таковых, уже имеющихся у их свободноживущих предков (явление преадаптации). В целом следует подчеркнуть, что гетеротрофные (и в особенности хищные) жгутиковые протисты чрезвычайно плохо исследованы, но зачастую представляют собой важнейшие глубокие линии эукариот и их новые макротаксоны с уникальной морфологией и ультраструктурой, медленно эволюционирующими ядерными протеинами, крупными и медленно-эволюционирующими наборами митохондриальных генов. Обнаружения новых базальных линий протистов могут позволить раскрыть происхождение и раннюю эволюцию важнейших групп эукариот. Полученные ультраструктурные и молекулярные данные по базальным жгутиковым протистам открывают перспективу решения важнейших научных задач выявления основания (корня) филогенетического древа всех ядерных организмов (и, соответственно, определения общей направленности эволюции эукариот), а также реконструкции строения клетки гипотетического предка всех эукариотических организмов.

 

Публикации

1. Kirby W.A., Tikhonenkov D.V., Mylnikov A.P., Janouskovec J., Lax G., Simpson A.G.B. Characterisation of Tulamoeba bucina n. sp., an extremely halotolerant amoeboflagellate heterolobosean belonging to the Tulamoeba-Pleurostomum clade (Tulamoebidae n. fam.) Journal of Eukaryotic Microbiology, 13 OCT 2014. DOI: 10.1111/jeu.12172 (год публикации - 2014) https://doi.org/10.1111/jeu.12172

2. Mikhailov K.V., Janouskovec J., Tikhonenkov D.V., Mirzaeva G.D., Diakin A.Yu., Simdyanov T.G., Mylnikov A.P., Keeling P.J., Aleoshin V.V. A complex distribution of elongation family GTPases EF1A and EFL in basal alveolate lineages Genome Biology and Evolution, V. 6 (9). P. 2361–2367 (год публикации - 2014) https://doi.org/10.1093/gbe/evu186

3. Мыльников А.П. Новый жгутиконосец Percolomonas lacustris sp. nov. (Excavata, Percolozoa) из континентального соленого озера (Юго-Восток Европейской части России) Зоологический журнал, - (год публикации - 2015)

4. Плотников А.О., Ермоленко Е.А. Центрохелидные солнечники (Chromosta, Hacrobia) Южного Предуралья Зоологический журнал, T. 94. №1 (год публикации - 2015)


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Осуществлены экспедиционные работы и отобраны пробы из разнотипных водоемов и почв различных природных зон, исследован таксономический состав свободноживущих жгутиконосцев и некоторых амебофлагеллят. Выявлено более 100 видов протистов. Предположительно новые для науки виды были выделены в клональные культуры. Исследованы морфологические особенности клеток с использованием DIC и фазово-контрастной световой микроскопии и сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии. Секвенированы гены SSU rRNA для 18 изолятов гетеротрофных жгутиконосцев, которые (за редким исключением) являются новыми видами и надвидовыми таксонами протистов. Для наиболее интересных в филогенетическом отношении жгутиконосцев начаты исследования ультраструктуры клеток. Завершены ультраструктурные исследования по ранее полученным изолятам Neobodo (B-73), Massisteria (IOW-101, 137), Moramonas gen. nov (OF-50). Транскриптом и геномная ДНК важных в филогенетическом отношении организмов, представляющих собой анцестральные линии протистов, или занимающих неопределенное филогенетическое положение на древе эукариот, были изучены методами секвенирования нового поколения (Illumina). Для синтезирования кДНК протистов освоен и успешно апробирован новый прогрессивный метод «Full-length RNA-seq from single cells using Smart-seq2», опубликованный в 2014 г. в журнале Nature protocols (Picelli et al., 2014, V.9. No 1). В целом, проведенные работы соответствуют плану или превосходят и опережают заявленный план работ. Удалось выделить в клональные культуры более 20 новых видов и надвидовых таксонов протистов и успешно секвенировать их рибосомальные гены. Большинство клонов оказались важными, неизвестными ранее филогенетическими линиями в пределах различных супергрупп эукариот. В ходе исследования происхождения паразитизма в группе Apicomplexa посредством изучения распределения некоторых ключевых характеристик среди их ближайших свободноживущих родственников – фотосинтетических хромерид и хищных (эукариотрофных) колподеллид нам удалось доказать, что происхождение и эволюция апикомплексных паразитов первоначально не связаны с приобретением новых структур и компонентов клеток и генома, а скорее связаны с потерей и модификацией таковых, уже имеющихся у их свободноживущих родственников. Выявленные родственные отношения изучаемых организмов указывают на сложный сценарий приобретения, утраты или модификации пластид и эволюции паразитизма у альвеолят. Были успешно секвенированы транскриптомы 4х видов солнечников, соответствующие 4м основным таксонам центрохелид. Данные мультигенной филогении показывают, что: 1) центрохелидные солнечники являются сестринской группой по отношению к гаптофитовым водорослям и формируют группу Haptista. 2) Haptista является родственной группой к макротаксону SAR (Stramenopiles, Alveolates, Rhizaria). 3) Cryptista родственна к Archaeplastida. 4) Haptista+SAR являются сестринской группой к Cryptista+Archaeplastida. Полученная топология древа отрицает группировку Hacrobia, а также отвергает сценарий единственного (однократного) приобретения пластиды от красной водоросли гипотетическим предком Chromalveolata. Были продолжены исследования обнаруженного ранее неизвестного хищного протиста (клон TD “twirling disc”) неопределенного систематического положения, имеющего новый тип экструсом. Мультигенная филогения показывает, что TD является базальной ветвью Haptista. Таким образом, клон TD представляет собой новую глубокую линию эукариот и новый таксономический тип эукариот. Анализ митохондриального генома TD и других эукариот показал, что параллельная (или независимая) потеря митохондриальных генов в пределах различных таксонов эукариот играет значительно большую роль в митохондриальной эволюции, чем считалось ранее. Например, было установлено, что Diaphoretickes анцестрально содержали 3 дополнительных митохондриальных гена, которые к настоящему времени сохранились только в TD. Таким образом, митохондриальные гены должны были быть потеряны много раз независимо во всех других таксонах внутри Diaphoretickes, в противоположность единственной потере генов у их общего предка, как было бы логично предполагать до открытия клона TD. В 2015г. в пробах с кораллов Красного моря был обнаружен протист, родственный к «Twirling Disk», таким образом, найден второй представитель новой группы эукариот, предковой к Haptista. Был описан новый вид бодонид Neobodo borokensis n. sp. Филогенетический анализ указывает на близкое родство N. borokensis с Neobodo saliens, N. designis, Actuariola, а также неправильно аннотированным в ген-банке сиквенсом “Bodo curvifilus” внутри класса Kinetoplastea. Показано, что многие виды свободноживущих бодонид характеризуются значительной генетической разнородностью. Подтверждается гипотеза, что виды гетеротрофных флагеллят могут иметь космополитическое и убиквитарное распространение и способны обитать в широком диапазоне значений солености среды. Анализ геномных данных протистов, являющихся базальными линиям кинетопластид показал, что эти организмы характеризуются очень сильным редактированием митохондриальных РНК. Например, диаграмма для цитохрома-б установлено, что более 50% процентов нуклеотидных оснований в информационной РНК вставлено, по сравнению с геномной ДНК, а 49 нуклеотидов были удалены. Таким образом, было открыто наиболее существенное из известных к настоящему времени редактирование митохондриальных РНК у кинетопластид. Нами был обнаружен и описан новый вид Massisteria voersi sp. nov., который исследован микроскопическими и молекулярными методами. Вероятно, что описанный новый вид является представителем малочисленных популяций, составляющих так называемую “rare biosphere.” Новый род якобид (клон OF-50) был выделен из сухого песка пустыни в Марокко. Митохондриальный геном протиста содержит сходное с другими якобидами число генов, однако имеет уникальный, очень большой размер (в 3-4 раза больше, чем у других известных якобид). Такая «раздутость» митохондриального генома обусловлена вставками некодирующих последовательностей ДНК, как в митохондриях растений. Из морских вод в Крыму нами были выделены 3 новых клона свободноживущих хищных жгутиконосцев. На филогенетическом древе по SSU rRNA они располагаются близко к бактериотрофной Developaella, и, судя по филогенетическому положению, представляют собой вероятных кандидатов на роль предков охрофитовых водорослей. http://www.gazeta.ru/science/2015/03/01_a_6426849.shtml

 

Публикации

1. Janouškovec J., Tikhonenkov D.V., Burki F., Howe A.T., Kolísko M., Mylnikov A.P., Keeling P.J. Factors mediating plastid dependency and the origins of parasitism in apicomplexans and their close relatives PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA, vol. 112, no. 33, P. 10200–10207 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1073/pnas.1423790112

2. Mikhailov K.V., Tikhonenkov D.V., Janouškovec J., Diakin A.Y., Ofitserov M.V., Mylnikov A.P., Aleshin V.V. Primary Structure of 28S rRNA Gene Confirms Monophyly of Free-Living Heterotrophic and Phototrophic Apicomplexans (Alveolata) Biochemistry (Moscow), Vol. 80, No. 11, pp. 14921499 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1134/S0006297915110115

3. Mylnikov A.P., Weber F., Jürgens K., Wylezich C. Massisteria marina has a sister: Massisteria voersi sp. nov., a rare species isolated from coastal waters of the Baltic Sea European Journal of Protistology, V. 51. P. 299–310. (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.ejop.2015.05.002

4. Tikhonenkov D.V., Burkovsky I.V., Mazei Yu.A. Is There a Relation between the Distribution of Heterotrophic Flagellates and the Zonation of a Marine Intertidal Flat? Oceanology, Vol. 55, No. 5, pp. 711–723 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1134/S0001437015050173

5. Tikhonenkov D.V., Janouskovec J., Keeling P.J., Mylnikov A.P. The Morphology, Ultrastructure and SSU rRNA Gene Sequence of a New Freshwater Flagellate, Neobodo borokensis n. sp. (Kinetoplastea, Excavata) Journal of Eukaryotic Microbiology, - (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1111/jeu.12271

6. Тихоненков Д.В., Бурковский И.В., Мазей Ю.А. СВОБОДНОЖИВУЩИЕ ГЕТЕРОТРОФНЫЕ ЖГУТИКОНОСЦЫ СУБЛИТОРАЛИ И БАТИАЛИ КАРСКОГО МОРЯ Биология моря, том 41, № 3, с. 196–204 (год публикации - 2015)


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проведены экспедиционные работы и отобраны пробы в разнотипных морских и пресноводных биотопах и почвах. Исследован видовой состав и морфология жгутиковых протистов и солнечников. В клональные культуры выделены важные в филогенетическом отношении виды, пока не идентифицированные (предположительно новые) виды протистов, а также потенциально интересные организмы, по которым к настоящему времени отсутствуют молекулярные данные. Секвенированы гены 18S rDNA и установлено филогенетическое положение 23-х неизученных клонов протистов. Многие из изучаемых организмов оказались новыми, не исследованными филогенетическими линиями эукариот. Проведены исследования ультраструктуры клеток: строения пелликулы, жгутикового аппарата, микротрубочкового цитоскелета, митохондрий, аппарата Гольджи, ядра, стрекательных органелл и др. Транскриптом и геномная ДНК некоторых из актуальных в филогенетическом отношении клонов исследованы методами секвенирования нового поколения (NGS, Illumina). Реконструированы мультигенные филогенетические деревья протистов и эукариот. Произведены анализ полученных ранее морфологических и геномных данных и их обобщение. Опубликован ряд статей и обобщающая монография по филогении и эволюции альвеолятных простейших, аналога которой в мировой литературе нет. Проведено филогеномное исследование, направленное на прояснение глубоких (ранних) эволюционных связей эукариот. Основанием данной работы послужили полученные нами транскриптомные молекулярные данные по солнечникам, представляющим 4 основных семейства центрохелид: Raphidiophryidae, Pterocystidae, Acanthocystidae, Choanocystidae. Построенное филогеномное древо со 100% статистической поддержкой показывает монофилетическую группировку центрохелидных солнечников и гаптофитовых, именуемую Haptista. Установлено положение группировки Haptista как сестринской группы SAR. Подтверждено со 100% статистической поддержкой объединение криптомонад, катаблефарид, и морского двужгутикового протиста Palpitomonas bilix в кладу Cryptista. Общепризнанная супергруппа эукариот Archaeplastida оказалась парафилетичной. Иными словами, зеленые водоросли, наземные растения и глаукофитовые формируют одну кладу, а красные водоросли – другую. При этом впервые с высокой поддержкой (96%) показано, что Cryptista является сестринской группой к растениям и глаукофитовым. Парафилетические Archaeplastida и группа Cryptista характеризуются общностью своего происхождения. Группировка Archaeplastida–Cryptista родственна к SAR+ Haptista. Наши построения отрицают группировку Hacrobia, которая была выделена, когда геномные данные были доступны для меньшей таксономической выборки, чем сейчас. Определено филогенетическое положение загадочных «сиротских» (с неустановленными родственными связями) линий эукариот Telonemida и Picozoa. Первые являются анцестральной ветвью по отношению к макротаксону SAR с поддержкой 93%, вторые являются сестринской группой к красным водорослям при поддержке 93%. Таким образом, наши данные однозначно показывают общность происхождения центрохелид и гаптофитовых. Установлена филогенетическая позиция группировки центрохелиды-гаптофиты и Cryptista, что ставит нас на один шаг ближе к полностью разрешенному (статистически достоверному) древу жизни эукариот. Результаты нашей работы отвергают таксон Chromalveolata и показывают, что высокая достоверность группировки Archaeplastida и Cryptista в наших построениях de facto отвергает сценарий единства происхождения «красных пластид» (полученных от красных водорослей) у гипотетического предка единой группировки Chromalveolata. Полученные в ходе данного проекта транскриптомные данные по колподеллидам и филогеномные построения позволяют охарактеризовать распределение пластидных генов в пределах таксона Myzozoa (включающего паразитических споровиков (= апикомплекс), хромерид, колподеллид, динофлагеллят и родственных им базальных филогенетических линий), а также предположить механизмы метаболической зависимости от реликтовых пластид и пластидных генов у гетеротрофных представителей данной группы и сделать некоторые обобщения по данной проблеме. Геномные и транскриптомные данные по хромподеллидам свидетельствуют о том, что все представители группы, включая автотрофов и гетеротрофов, также сохраняют способность синтезировать жирные кислоты, тетрапирролы и изопентенилпирофосфат (ИПП). Согласно этим данным у хромподеллид, также как у паразитических споровиков, синтез ИПП реализован исключительно за счет пластидного немевалонатного пути, а синтез тетрапирролов, по-видимому, также частично опирается на реакции, протекающие в пластиде. Подобно паразитическим споровикам, в группе встречаются оба типа синтазы жирных кислот (СЖК): Alphamonas в основном экспрессирует компоненты пластидного комплекса, Voromonas и Colpodella экспрессируют компоненты цитоплазматического комплекса, а хромериды содержат оба набора ферментов. В сестринской споровикам группе динофлагеллят фотосинтетические представители содержат полные наборы ферментов пластидных путей синтеза жирных кислот, тетрапирролов и ИПП. У паразитических динофлагеллят Perkinsus и Hematodinium пластидные пути синтеза жирных кислот и тетрапирролов потеряны, но обе линии, вероятно, сохраняют способность синтезировать тетрапирролы за счет набора цитоплазматических ферментов, а данные для Hematodinium также указывают на наличие СЖК типа I. Реконструкция метаболизма общего предка Myzozoa по совокупности данных о путях, зависимых от пластиды, демонстрирует высокую степень вырожденности путей между клеткой хозяина и эндосимбионтом. Ни один из нынешних представителей группы не сохраняет полного набора ферментов, которым, предположительно, должен был обладать предок Myzozoa. Данный результат подтверждает существование тенденции к потере вырожденных элементов метаболизма, а также служит аргументом против гипотезы Chromalveolata, предполагающей длительное сосуществование вырожденных метаболических путей клетки хозяина и эндосимбионта. Тесная связь пластиды с синтезом ИПП заставляет предположить, что у колподеллид, транскриптомы которых содержат свидетельство немевалонатного пути, должна присутствовать скрытая пластида. О существовании компартментов пластидного происхождения у колподеллид косвенно свидетельствует наличие N-терминальных сигнальных последовательностей локализации у белков с предполагаемой пластидной функцией. Примечательно, что ни у колподеллид, ни у Perkinsus, метаболизм которых указывает на возможное наличие пластид, следов присутствия пластидных геномов обнаружено не было. В ходе работ по проекту нами был обнаружен новый род якобид в сухом песке пустыни в Марокко. Завершено его морфологическое и геномное исследование. Данный жгутиконосец был описан как Moramonas marocensis gen. nov., sp. nov. и для него выделено новое семейство Moramonadidae fam. nov. внутри Jakobida. В сиквенсах геномной ДНК на платформе Illumina нами было собрано 11 контигов, представляющих митохондриальный геном M. marocensis общим размером of 264512 пар нуклеотидов. Он содержит 90 генов, включая бактерио-подобную РНК-полимеразу из 4х субъединиц. Размер митохондриального генома Moramonas в 3-4 раза больше чем у любых других известных якобид. Однако кодирующие последовательности ДНК (без ORFs) у Moramonas составляют лишь 25% от митохондриального генома, в противоположность 80-93% у других якобид. Остальную часть митохондриального генома составляет некодирующая «мусорная» ДНК. Митохондриальный геном M. marocensis сохранил ряд предковых бактериальных черт: большой набор митохондриальных генов, их специфический порядок расположения (как у бактерий), последовательности Шайна-Дальгарно и РНК-полимераза из четырех субъединиц бактериального типа. Проведенные филогеномные исследования показали, что обнаруженные нами ранее неизвестные протисты «Twirling Disk» (TD) и Colp-4b являются новой глубокой линией эукариот среди Diaphoretickes (все эукариоты за исключением Opimoda и Excavata). Согласно мультигенному анализу Colp-4b и ‘Twirling Disk’ являются представителями новой группы простейших, положение которой на филогенетическом дереве эукариот проявляет нестабильность. Вероятно, данные организмы являются базальной ветвью по отношению к гигантскому по видовому разнообразию кластеру эукариот, объединяющему супергруппу SAR и Haptista. С уверенностью можно сказать, что группа Colp-4b и ‘Twirling Disk’ не является близким родственником известных эукариотических групп, и доказывает их уникальность, как новой глубокой линии эукариот. Продолжен анализ митохондриального генома TD в сравнении с другими эукариотами. Сделан вывод, что в пределах различных таксонов эукариот шла параллельная и независимая потеря митохондриальных генов, но происходила она с разной скоростью в разных группах. Митохондриальные гены были утеряны много раз независимо в различных эволюционных линиях, в противоположность однократной крупномасштабной потере генов у общего предка. Продолжено начатое в 2014-2015 гг. морфологическое и геномное исследование новых свободноживущих хищных прокинетопластид. Изучаемые организмы оказались ближайшим родственником загадочной Perkinsela, являющейся, по всей видимости, эндосимбионтом и обязательным компонентом клетки Neoparamoeba, опаснейшего и летального паразита жабр рыб (в т.ч. лососевых). Таким образом, исследования Perkinsela и обнаруженных нами ее ближайших свободноживущих родственников могут иметь прикладное значение. Установлено, что изучаемые организмы имеют сплайсированные лидерные РНК в мРНК, как и другие Euglenozoa. Начата реконструкция их некоторых метаболических путей в сравнении с Perkinsela. Многие эти пути, имеющиеся у свободноживущих организмов, отсутствуют у эндосимбиотической Perkinsela. Продолжены работы по обнаруженным в 2015 г. в Крыму новым видам хищных жгутиконосцев, относящихся к страминопилам. Построенное мультигенное филогеномное древо помещает исследуемые клоны с высокой статистической поддержкой в монофилетическую кладу, сестринскую к оомицетам, что делает эти организмы интересными в изучении происхождения оомицетов и их паразитического образа жизни. Мицелиальные оомицеты распространены как в водных экосистемах (где могут инфицировать рыб), так и на суше, где являются паразитами высших растений (например, широко известная фитофтора). Еще один выделенный нами клон хищных морских страминопил PhM-7 родственен Cafeteria, вместе с которой он образует сестринскую кладу к Blastocystis hominis – одного из самых распространенных в мире паразитов желудочно-кишечного тракта человека. Начаты филогеномные исследования найденного на песчаной литорали во Вьетнаме клона протистов Colp-29. Предварительное мультигенное древо максимального правдоподобия (IQ-Tree) указывает на базальное положение данного клона по отношению к красным водорослям. Интересно, что Colp-29 является хищником и заглатывает клетки своих жертв целиком. Его чрезвычайно интригующее филогенетическое положение поднимает вопрос о происхождении простых (с оболочкой из двух мембран) пластид у эукариот. По предварительным данным, полученным в декабре 2016г., у Colp-29 найдены пластидные гены, кодирующие некоторые метаболические пути, например биосинтез гема. Также, интересной является близость Colp-29 к загадочным пикобилифитам (или билифитам). Эти широко распространенные (по данным природных сиквенсов) пикопланктонные организмы пока остаются не выделенными в культуру и не описанными эукариотами, хотя их таксономических ранг соответствует рангу, например, криптофитовых или гаптофитовых.

 

Публикации

1. Бурки Ф., Каплан М., Тихоненков Д.В., Златогурский В., Минь Б.К., Радайкина Л.В., Смирнов А.В., Мыльников А.П., Килинг П.Д. Untangling the early diversification of eukaryotes: a phylogenomic study of the evolutionary origins of Centrohelida, Haptophyta and Cryptista Proceedings of the Royal Society B, 283:20152802 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1098/rspb.2015.2802

2. Вебер Ф., Мыльников А.П., Юргенс К., Вилезих К. Culturing Heterotrophic Protists from the Baltic Sea: Mostly the «Usual Suspects» but a Few Novelties as Well Journal of Eukaryotic Microbiology, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1111/jeu.12347

3. Герасимова Е.А., Плотников А.О. New freshwater species of centrohelids Acanthocystis lyra sp. nov. and Acanthocystis siemensmae sp. nov. (Haptista, Heliozoa, Centrohelea) from the South Urals, Russia Acta Protozoologica, - (год публикации - 2017)

4. Плотников А.О., Герасимова Е.А. Центрохелидные солнечники (Centrohelea, Haptista, Hacrobia) соленых и солоноватых континентальных водоемов и водотоков России Биология внутренних вод, - (год публикации - 2017)

5. Штрассерт Ю., Тихоненков Д.В., Помберт Ж.-Ф., Колинско М., Таи В., Мыльников А.П., Килинг П.Д. Moramonas marocensis gen. nov., sp nov.: a jakobid flagellate isolated from desert soil with a bacteria-like, but bloated mitochondrial genome OPEN BIOLOGY, V.6. №2: 150239 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1098/rsob.150239

6. Тихоненков Д.В., Мыльников А.П., Михайлов К.В., Алёшин В.В. Ранняя филогения и эволюция альвеолят Издательство ПГУ, Пенза, 164 с. (год публикации - 2016)

7. Тихоненков Д.В., Янушковеч Я., Хехенбергер Э., Бурки Ф., Гэврилак Р., Карнковска А., Мыльников А.П., Килинг П. The evolutionary importance of predatory flagellates: new deep branches on the eukaryotic tree of life Protistology, V.10. №2 (год публикации - 2016)


Возможность практического использования результатов
не указано