Если пластиды были приобретены в результате симбиоза, то растения генетически и метаболически более сложны, чем представляли себе многие физиологи. Если гетеротрофные эукариоты тригеномны благодаря своим митохондриям, ундулиподиям и нуклеоцитоплазме, то растения уже квадригеномны благодаря дополнительной органелле-своим фотосинтезирующим пластидам.
Работы, в которых несколько геномов растения и их продукты гомогенизируют, а затем их функции реконструируют, исходя из отдельных химических реакций, неизбежно должны приводить к путаным и противоречивым результатам. Разве биохимик может ожидать успеха в изучении брожения при производстве вина, если он просто закладывает «фермент», который состоит из нескольких организмов, различающихся по возрасту, физиологическому состоянию, степени взаимозависимости и многим другим переменным? Нужно рассортировать вторичные метаболиты растений (флавоноиды, алкалоиды, ацетогенины и лигнаны) в соответствии с тем, кодируются ли они только одним из геномов, двумя, тремя или всеми четырьмя. Аналогичный анализ белков пластидной мембраны указывает на то, что многие из них, вероятно, находятся под прямым или косвенным генетическим контролем пластид. А поскольку со степенью текучести мембран связана морозоустойчивость и холодочувствительность сельскохозяйственных растений, ясно, что различение уровней интеграции партнеров в этих древних множественных симбиозах представляет не только академический интерес.
Почти все важные работы по передаче, сегрегации и рекомбинации генов хлоропластов были проведены на гаплоидном зеленом протисте Chlamydomonas. Недавно появился критический обзор впечатляющих достижений в этой области более чем за 20 лет. Геном хлоропласта у хламидомонады содержит достаточное количество уникальных последовательностей ДНК, чтобы кодировать, возможно, несколько сотен белков. Для сравнения отметим, что у большинства митохондриальных ДНК кодирующая способность примерно в 10 раз меньше. Однако интерпретацию данных генетического изучения хлоропластов сильно затрудняет то, что у всех известных организмов, обладающих хлоропластами, имеются также митохондрии (эволюционное объяснение этого факта будет дано в конце раздела). Не только у хламидомонады, но и у любого растения или водоросли неядерные генетические эффекты могут быть обусловлены одними хлоропластами, одними митохондриями, взаимодействием между этими органеллами или между ними и ядром; возможно даже участие иных симбионтов или вирусов. Однако с помощью остроумных методов было показано, что некоторые генные продукты, находящиеся в митохондриях растущих клеток, кодирует ДНК хлоропластов и что для образования пластидных рибосом у хламидомонады нужны продукты как ядерных, так и пластидных генов.
Клеточная эволюция идет в направлении большей взаимозависимости; в особенности органеллы становятся зависимыми от продуктов ядерных геномов. По меньшей мере несколько белков совместно кодируются пластидными и ядерными генами. Например, важный белок рибулозобисфосфат-карбоксилаза (РБК), ответственный за первый шаг на пути фиксации атмосферной СО2, продукт двух геномов, ядерного и пластидного. У хламидомонады и у пшеницы ген, кодирующий большую субъединицу этого фермента, находится в хлоропласте, а малую субъединицу в ядре. РБК служит примером интеграции партнеров на уровне генного продукта. Этот чрезвычайно важный белок, который очень мало изменился в. процессе эволюции, обещает стать отличным средством для построения схем филогении фотосинтезирующих организмов. Из хламидомонады можно выделить кодирующий РБК ген; путем инкубации с надлежащими ферментами и малыми молекулами его можно клонировать in vitro в присутствии радиоактивного фосфата и получить достаточное количество меченой ДНК для того, чтобы испытать ее в реакциях гибридизации с ДНК других организмов. Это позволяет оценить степень гомологичности нуклеотидных последовательностей в генах РБК многих фотосинтезирующих организмов. Стэн Джелвин, аспирант Океанографического института Скриппса, написал нам (личное сообщение, 16 мая 1977 г.):
«Как я Вам объяснил, я выделил информационную РНК и клонировал ген, кодирующий большую субъединицу рибулозобисфосфат-карбоксилазы из Chlamydomonas reinhardi. Я смог получить, введя в качестве метки 32PO4, мРНК очень высокой удельной активности (1-2∙106 имп/мин на 1 мкг РНК), чтобы использовать ее как гибридизационный зонд. В прошлый уикэнд я поставил предварительные опыты, результаты которых оказались чрезвычайно интересными. Как Вы знаете, большая субъединица РБК чрезвычайно консервативна; у всех изученных организмов от фотосинтезирующих бактерий до высших растений она имеет один и тот же (приблизительно) аминокислотный состав и дает перекрестные иммунологические реакции. Я представил себе, что если это так, то моя мРНК для большой субъединицы из С. reinhardi должна была бы перекрестно гибридизоваться с ДНК из других фотосинтезирующих организмов. Я гибридизовал свою мРНК с ДНК, выделенной из Rhodopseudomonas spheroides [фотосинтезирующая несерная пурпурная бактерия], и с ДНК хлоропластов салата, шпината, цикория, мангольда, С. reinhardi и моего клонированного гена. Во всех случаях гибридизация произошла, тогда как с ДНК из молок сельди и в контроле она была ничтожной. Весьма предварительные кривые плавления указывают на то, что исследованная мРНК С. reinhardi с большей специфичностью гибридизуется с ДНК высших растений, чем с бактериальной ДНК. Разумеется, это лишь самые предварительные результаты, но их следовало бы обнародовать после более тщательных и полных опытов. Эти результаты волнуют (по крайней мере меня) потому, что мы имеем теперь реальную молекулярную отмычку к белку, который важен как в сельскохозяйственном, так и в эволюционном отношении.
После того как я прослушал Ваш семинар и прочел Вашу книгу, я подумал, что детальное изучение молекулярной эволюции этого гена может быть полезно для Вашей работы. Конечно, нас интересует эволюционная дивергенция этого гена не только в сопоставлении с С. reinhardi, но и во всех других парных комбинациях фотосинтезирующих организмов, особенно между сине-зелеными и зелеными водорослями. Для этого нужно было бы выделить соответствующий ген из нескольких организмов (и, вероятно, клонировать его, чтобы получить достаточный материал для анализа). Тот факт, что мРНК для большой субчастицы РБК С. reinhardi перекрестно гибридизируется с гомологичным геном других организмов, означает, что она может послужить средством для обнаружения искомого гена с целью его изоляции».
Тот факт, что не найдено водорослей или растений с пластидами, но без митохондрий, вероятно, обусловлен той последовательностью, в которой эти органеллы были приобретены. Для фагоцитоза, который важен не только для питания, но и для захвата протопластид, нужны гибкие стероидные мембраны. У организмов, лишенных митохондрий, таких мембран, по-видимому, не было, поскольку фагоцитоз не обнаружен ни у каких прокариот, даже у тех бактерий, окисляющих метан, которые способны синтезировать стероиды. Значит, протопластиды были захвачены теми способными к фагоцитозу организмами, которые имели митохондрии и синтезировали стероиды. Если бы водоросли произошли прямо от цианобактерий, то среди ныне живущих организмов нашлись бы эукариотические формы, имеющие пластиды, но лишенные митохондрий.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963