КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 18-14-00239

НазваниеРеконструирование ранней эволюции эукариот путем исследований гетеротрофных одноклеточных

РуководительТихоненков Денис Викторович, Кандидат биологических наук

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

Года выполнения при поддержке РНФ2018 - 2020

КонкурсКонкурс 2018 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, Protista, гетеротрофные жгутиконосцы, ультраструктура клеток, молекулярная филогения, эволюция эукариот, биоразнообразие

Код ГРНТИ34.33.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Реконструирование древа жизни является интереснейшей и крайне сложной задачей, поскольку о длительной эволюционной истории с момента возникновения живых организмов зачастую остались едва различимые филогенетические сигналы, которые мы можем попытаться восстановить в настоящее время. Предлагаемый проект направлен на решение фундаментальной проблемы начальной радиации, филогении и эволюции трех важнейших супергрупп эукариотических организмов Opisthokonta, SAR и Archaeplastida путем геномных и морфологических исследований гетеротрофных жгутиконосцев, представляющих собой анцестральные филогенетические линии эукариотического древа. Последние исследования, в том числе работы нашего коллектива, показывают, что гетеротрофные, особенно, хищные жгутиконосцы все еще чрезвычайно плохо исследованы, но нередко представляют собой важнейшие, глубоко ветвящиеся линии эукариот. Сиквенсы их генов часто формируют одиночные ветви, сестринские крупным кластерам на молекулярно-филогенетическом древе эукариот. Такие протисты обладают уникальной морфологией, медленно эволюционирующими ядерными белками и наиболее полными наборами митохондриальных генов, представляя, по сути, новые таксоны уровня царства. Обнаружения новых базальных линий протистов помогают раскрыть происхождение и раннюю эволюцию важнейших групп эукариот. Морфологические и филогеномные исследования неизвестных (или слабоизученных) протистов, представляющих такие анцестральные линии, имеют особую актуальность. Они открывают новые подходы к решению таких актуальных задач, как выявление корня филогенетического древа всех эукариотных организмов (и, соответственно, определения общей направленности эволюции эукариот), а также реконструкции гипотетического предка всех эукариотических организмов. Построение глобальной филогении эукариот с учетом обнаруженных и изучаемых нами малочисленных групп хищных жгутиконосцев внесет существенный вклад в понимание путей эволюции и возникновения уникальных клеточных и геномных инноваций в трех указанных суперкластерах, а также затронет такие общебиологические проблемы, как возникновение и становление многоклеточности, паразитизма, преобразования организации и метаболизма клетки в зависимости от автотрофного, хищного или паразитического образа жизни. В ходе предыдущих исследований нами были обнаружены и выделены в клональные культуры новые виды жгутиконосцев, ранее неизвестных науке, и являющихся глубокими филогенетическими ветвями разных супергрупп эукариот. Данные находки позволяют нам сформулировать основные задачи проекта: 1) изучение ранней филогении Holozoa (Opisthokonta), а также морфологических и геномных преобразований у одноклеточных, играющих ключевую роль в происхождении и становлении многоклеточности у животных; 2) изучение обнаруженной нами группы жгутиконосцев, дающих сестринскую ветвь красным водорослям (Archaeplastida), прояснение их происхождения и связанной с этим проблемы возникновения простых пластид у эукариот; 3) решение проблемы филогенетического положения телонемид (Telonemia), прояснение ранней радиации всего суперкластера SAR, включающего порядка 100 тысяч важнейших для биосферы видов, а также организации клетки его гипотетического предка. Кроме того, планируется продолжить поисковые работы, направленные на выделение из природных экосистем новых гетеротрофных протистов из различных таксономических групп и их морфологическое и геномное исследование. По мнению авторов проекта, поставленные задачи и ожидаемые результаты обладают безусловной новизной, существенной научной значимостью и масштабностью и полностью соответствуют современному мировому уровню работ в данной бурно развивающейся области. В результате совместного применения молекулярного и ультраструктурно-морфологического подходов к изучению филогении, будут получены принципиально новые данные, (1) раскрывающие ранние этапы эволюции супергрупп SAR, Opisthokonta и Archaeplastida; (2) ведущие к ревизии глобального эволюционного древа всех эукариот и установлению его корня; (3) показывающие пути возникновения и развития уникальных клеточных и геномных инноваций, приведших к становлению многоклеточности, фотосинтеза, паразитизма и преобразованиям организации и метаболизма клетки в зависимости от автотрофного, хищного или паразитического образа жизни. Для выполнения проекта будут использованы самые современные методы секвенирования, биоинформатики и филогенетики в сочетании с классическими методами световой и электронной микроскопии, а также наши оригинальные и усовершенствованные методы выделения и культивирования хищных жгутиконосцев, которые позволили получить ранее неизвестных и отсутствующих в мировых коллекциях протистов.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта мы предполагаем получить новые морфологические и геномные данные по неописанным видам и надвидовым таксонам простейших и с их помощью прояснить эволюционную историю некоторых макротаксонов протистов и эукариот. 1) При помощи полученных транскриптомных данных по представителям неизвестных линий эукариот, родственных красным водорослям, будет установлена их эволюционная позиция на мультигенном древе. Будут более достоверно описаны филогенетические связи внутри Archaeplastida, положение красных водорослей и Cryptista. Будут получены результаты по ультратонкому строению клеток изучаемых клонов, а также внешней морфологии, питанию, жизненному циклу. Будут представлены результаты поиска пластидных генов и реконструкции важнейших метаболических путей клетки (включая ассоциированные с фотосинтезом) в сравнении с красными водорослями. В результате может быть прояснен процесс эволюционного происхождения красных водорослей как организмов, возникших вследствие эндосимбиоза. 2) Будет описана ранняя филогения опистоконтных Holozoa c учетом открытого нами нового разнообразия базальных линий данного таксона. Новые уникальные морфологические и молекулярные результаты по новым представителям опистоконтных жгутиковых протистов позволят выявить те цитоморфологические и геномные предпосылки (включая особенности жизненного цикла), которые предопределили возможность эволюционного перехода от одноклеточности к многоклеточности у Holozoa. 3) Будут получены результаты по внешней морфологии и ультратонкому строению новых представителей телонемид. Полученные транскриптомные данные по этим организмам позволят с большей достоверностью реконструировать мультигенное древо SAR и всех эукариот, а также окончательно установить филогенетическое положение Telonemia и, в случае доказательства их анцестральной позиции по отношению к SAR, прояснить цитологическую и геномную организацию гипотетического предка альвеолят, страминопил, и ризарий, включающих порядка 100 тысяч видов, в т.ч. важнейших для биосферы радиолярий и фораминифер. 4) По результатам экспедиционных работ будут обнаружены и выделены в клональные культуры новые гетеротрофные простейшие и установлено их филогенетическое положение. Будут суммированы и проанализированы результаты изучения морфологии и филогении исследованных в ходе проекта неизвестных простейших, и сделаны обобщения, раскрывающие возможные пути происхождения многоклеточных животных и их важнейших клеточных и геномных характеристик, показывающие ранние этапы эволюции некоторых макротаксонов эукариот и способствующие построению глобального эволюционного древа всех эукариотических организмов. По нашему мнению, ожидаемые результаты полностью соответствуют современному мировому уровню работ в данной передовой области. Мы предлагаем к изучению принципиально новые эукариотические организмы, не известные исследователям и отсутствующие в мировых коллекциях. Их базальное, предковое филогенетическое положение среди огромных по видовому богатству суперкластеров эукариот свидетельствует, что морфологические и геномные результаты предлагаемого исследования дадут принципиально новые знания. С их помощью можно будет решать крупные, нерешенные до сих пор научные задачи, такие как происхождение многоклеточных животных и эволюционные изменения генома одноклеточных, существенные в происхождении и становлении многоклеточности, прояснение ранней филогении и происхождения протистов суперкластера SAR и красных водорослей. Потенциально, эти результаты могут быть опубликованы в ведущих общенаучных и общебиологических высокорейтинговых журналах. При этом, результаты работ по происхождению красных водорослей и простых пластид у эукариот в целом могут быть опубликованы в журнале уровня Nature. Если оценивать уровень и значимость предполагаемых результатов по тому, насколько они меняют фундаментальные научные представления, то мы можем видеть, что они заставляют пересмотреть представления, устоявшиеся в науке с XIX в., например, такие как теория Гастреи. Возможное обнаружение генов «многоклеточности» в геноме базальных одноклеточных опистоконт будет являться не рядовой находкой очередных новых генов, которых в геноме много тысяч, а прольет свет на организацию общего предка если не всех Opisthokonta, то по крайней мере Holozoa, включая многоклеточных животных. Рассматривая практическую значимость проекта, следует подчеркнуть, что результаты по базальным Holozoa, касающиеся вопросов взаимодействия клеток и клеточного поведения, его реализации в эмбриональном развитии в составе органов, состоящих из клеток разных типов, чрезвычайно важны как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Поскольку, как известно, нарушения клеточного взаимодействия, роста, развития и дифференцировки клеток могут приводить к опухолям и метастазированию при раковых заболеваниях, являющихся «бичом» современного человечества. Исследования генетических механизмов регуляции данных процессов, в том числе у одноклеточных, предковых форм многоклеточных, потенциально могут иметь огромное значение в медицине. Кроме того, новые данные о питании и трофических взаимодействиях исследуемых групп хищных одноклеточных эукариот могут послужить основой разработки и создания протистологических способов борьбы с «биологическим загрязнением», а также возможных приемов по обеспечению и восстановлению санитарной и токсикологической безопасности водоемов. Некоторые из впервые идентифицированных нами простейших могут оказаться близкими свободноживущими родственниками важных одноклеточных паразитов. Геномные исследования этих родственных простейших помогут лучше понять биологию и механизмы патогенности паразитов, а также дополнить молекулярные и биохимические данные, служащие основой для разработки терапевтических препаратов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Осуществлены экспедиционные работы и отобрано более 100 проб из разнотипных морских и пресных водоемов и почв различных природных зон, исследован таксономический состав свободноживущих жгутиконосцев, некоторых амебофлагеллят, солнечников. Из собранного полевого материала выделено 15 клональных культур протистов, успешно секвенированы их гены 18S rDNA. Многие из найденных протистов имеют эволюционную важность и чрезвычайно перспективны для дальнейших исследований. Cеквенированы транскриптомы и gDNA важнейших представителей на платформе Illumina и MinION. Собраны их транскриптомы и черновые геномы, сделаны мультигенные филогенетические построения, осуществлен поиск и анализ пластидных генов. Исследовано ультратонкое строение клеток клонов жгутиконосцев, родственных красным водорослям. Полученные материалы проанализированы и сданы в печать или опубликованы в виде 7 статей в журналы WOS и Scopus, 3 из которых первого квартиля. Получены следующие основные результаты. 1. ОТКРЫТИЕ НЕФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ХИЩНЫХ РОДСТВЕННИКОВ КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ ПРОЛИВАЕТ СВЕТ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ЭУКАРИОТ. Встраивание фотосинтетической цианобактерии в клетку фаготрофного простейшего привело к возникновению и дальнейшей радиации Archaeplastida – супергруппы эукариот, объединенной общностью происхождения пластид эукариот путем первичного эндосимбиоза. Архепластиды включают Viridiplantae (зеленые водоросли и наземные растения), глаукофитовые водоросли и красные водоросли (Rhodophyta). Кроме того, многократное и независимое поглощение этих организмов, несущих первичные пластиды, клетками других эукариот привело к возникновению организмов со вторичными и третичными пластидами, что послужило диверсификации эукариот и росту видового разнообразия на планете. Особенно выдающимися являются примеры с эндосимбиотическим поглощением красных водорослей, в результате чего произошли различные организмы – от смертоносных малярийных паразитов, до ключевых элементов геохимических циклов на Земле, например, диатомовых водорослей, пелагофитовых, примнезиофитовых, динофитовых. Все это делает понимание происхождения и эволюции красных водорослей критичным для более широких интерпретаций эволюции эукариот в целом. Нами был открыт новый таксономический тип эукариот (Rhodelphidia nom. nov.), пока включающий один род (Rhodelphis gen. nov.) и два вида. Филогеномный анализ убедительно показал положение Rhodelphis как сестринской линии по отношению к красным водорослям. Неожиданно, но характеристики Rhodelphis почти противоположны признакам красных водорослей. Они являются нефотосинтетическими жгутиконосцами-хищниками (поедают других протистов) с крупными, богатыми генами геномами, а также реликтовой первичной пластидой, которая участвует только в биосинтезе гема. Таким образом, предок красных водорослей и организация его клетки сильно отличаются от того, что предполагалось ранее. Вероятно, предком красных водорослей и Rhodelphis являлся миксотрофный жгутиконосец, получавший энергию и питательные вещества как за счет фотосинтетической пластиды, так и фаготрофно. Это предполагает, что фаготрофия сохранялась у Archaeplastida долгое время после дивергенции красных водорослей от зеленых растений и глаукофитовых. Крупный, богатый генами и интронами геном Rhodelphis и неожиданная модель сохранения биосинтетических путей также показывают возможность функциональной избыточности генов существовать в течение значительных периодов эволюционного времени, после чего происходит их дифференциальная потеря. Открытие Rhodelphis несомненно показывает, что отсутствие фаготрофии и многих других признаков у Archaeplastida в целом обусловлено множественными конвергентными утратами в различных таксонах, но не уже сложившимся анцестральным состоянием их общего предка. 2. ПЕРЕСМОТР МАКРОСИСТЕМАТИКИ ЭУКАРИОТ СОЗДАЛ «ЦАРЯ» СРЕДИ ЯДЕРНЫХ ОРГАНИЗМОВ. Было установлено систематическое положение телонемид (Telonemia) – группы микроскопических одноклеточных хищных эукариот, выловленных в Карском море, которые, по некоторым предположениям, представляют собой недостающее звено между фотосинтезирующими видами, несущими вторичные пластиды, и гетеротрофными организмами. Транскриптомы телонемид сравнили с 263 генами 234 видов эукариот. Оказалось, что телонемиды выступают в качестве «сестер» к крупнейшей супергруппе эукариот SAR – Stramenopiles, Alveolata, Rhizaria. SAR включают в себя гетероконтных водорослей (например, диатомовых и бурых), динофлагеллят, инфузорий, споровиков (к ним принадлежит и возбудитель малярии), фораминифер и радиолярий, оомицет (фитофтора вызывает заболевания картофеля). На основании полученных данных выделена новая мегагруппа в составе эукариот, названная TSAR (Telonemia + SAR), что можно прочитать как английское слово «царь». Поскольку Telonemia занимают ключевую позицию на древе для исследования происхождения SAR, их дальнейшее изучение поможет пролить свет на то, как и за счет чего росло многообразие эукариот и их жизненных стратегий. 3. ФИЛОГЕНОМИКА ПОДДЕРЖИВАЕТ МОНОФИЛИЮ CERCOZOA. Тип Cercozoa объединяет огромное разнообразие амебоидных и жгутиковых протистов, относящихся к супергруппе эукариот Rhizaria. Монофилия данного таксона оставалась под вопросом ввиду различий в результатах филогенетических построений и морфологической вариабельности клеток церкозоев. Нами были получены транскриптомы протистов, выловленных из лужи во Вьетнаме, фонтана на Тенерифе и глубоководных морских вод Тихого Океана (побережье Канады). Один из них описан как Lapot gusevi n. gen. n. sp. ввиду морфологического сходства с традиционной русской обувью и в честь альголога Е.C. Гусева. Филогеномный анализ по 161 гену этих организмов и других церкозоев показал монофилетичность типа Cercozoa, что вносит вклад в понимание эволюции супергруппы Rhizaria в целом. 4. ОБНАРУЖЕНИЕ АКСОПОДИЙ И РЕДУЦИРОВАННЫХ КИНЕТОСОМ У ФИЛАСТЕРИД, БАЗАЛЬНОЙ ВЕТВИ К HOLOZOA. Ministeria vibrans является крошечным амебоидным организмом, описанным в 1997 г. С тех пор, этот вид спорадически обнаруживался исследователями в различных местообитаниях и был выделен в культуру. Молекулярный анализ показал, что этот вид относится к Filasterea внутри Opisthokonta и, таким образом, занимает ключевую позицию для понимания происхождения Holozoa (многоклеточных животных и хоанофлагеллят). Однако, данные по ультратонкому строению клеток этого организма отсутствовали. Нами была исследована ультраструктура этого вида и впервые выявлены аксоподии, равно как и филоподии. Кинетосомы крайне редуцированы и редко обнаруживаются. Жгутик не визуализируется. Митохондрии имеют пластинчатые кристы. Выявлены везикулы с ламеллярными структурами внутри, имеющие неустановленную функцию. Полученные результаты важны для прояснения морфологической эволюции Opisthokonta на пути к Holozoa. 5. ВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И МОРФОЛОГИЯ ГЕТЕРОТРОФНЫХ ЖГУТИКОНОСЦЕВ И ЦЕНТРОХЕЛИД РАЗНОТИПНЫХ МЕСТООБИТАНИЙ. Исследован видовой состав и морфология гетеротрофных жгутиконосцев и центрохелид на литорали и супралиторали Черного моря в окрестностях Севастополя. Обнаружено 77 видов жгутиконосцев, 35 из них новые для Черного моря. Описан новый род и новый вид Oscillata sevastopolii gen. n., sp. n. Выявлено 6 видов солнечников, один из них описан как новый вид Pterocystis pontica sp. n. Обнаружено 20 видов центрохелид из пяти семейств в пресноводных озерах, реке и сфагновых болотах Воронежской области. Исследована их морфология с использованием сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии. Три вида новые для России. https://chrdk.ru/news/peresmotr-sistematiki-sotvoril-tcarya-sredi-eukariot ; https://doctor.rambler.ru/news/40851808-peresmotr-sistematiki-sotvoril-tsarya-sredi-eukariot/?updated http://sci-dig.ru/biology/peresmotr-sistematiki-sotvoril-tsarya-sredi-eukariot/ http://rscf.ru/ru/node/3356

 

Публикации

1. - Пересмотр систематики сотворил «ЦАРЯ» среди эукариот Science-digest, - (год публикации - ).

2. - Пересмотр систематики сотворил «ЦАРЯ» среди эукариот. А раньше его назвали бы водорослью или простейшим. Сhrdk., - (год публикации - ).

3. - Пересмотр систематики сотворил «ЦАРЯ» среди эукариот Российский научный фонд, - (год публикации - ).

4. Гаврилюк Р.*, Тихоненков Д.*, Хехенбергер Э., Хусник Ф., Мыльников А., Килинг П. * - равный вклад Non-photosynthetic predators are sisters to red algae Science, - (год публикации - 2019).

5. Мыльников А.П., Вилезих К. Electron Microscopical Studies on Ministeria vibrans Tong, 1997 (Filastrea) Reveal Rare Presence of Reduced Kinetosomes but no Flagellum Protist, - (год публикации - 2019).

6. Прокина К.И., Загуменный Д.Г., Мыльников А.П. Marine Centrohelid Heliozoa (Centrohelea Kühn, 1926) from bays of Sevastopol (the Black Sea littoral) Russian journal of marine biology, - (год публикации - 2019).

7. Прокина К.И., Загуменный Д.Г., Тихоненков Д.В. Morphology of Centrohelid Heliozoa (Centrohelea Kühn, 1926) from different type freshwater bodies in the Middle Russian forest- steppe Acta Protozoologica, - (год публикации - 2019).

8. Прокина К.И., Радайкина Л.В., Загуменный Д.Г., Тихоненков Д.В. Diversity, morphology and phylogenetic placement of centrohelid heliozoans from different-type freshwater and marine habitats Abstracts of the XXII Meeting of the International Society for Evolutionary Protistology, 27.05 – 02.06. 2018. Cyprus, - (год публикации - 2018).

9. Прокина К.И., Турбанов И.С., Тихоненков Д.В., Мыльников А.П. Free-living heterotrophic flagellates from bays of Sevastopol (the Black Sea littoral) Protistology, V.12. No 4. (год публикации - 2018).

10. Радайкина Л.В., Мыльников А.П., Бурки Ф., Тихоненков Д.В. Morphology and phylogenetic position of new centrohelid heliozoans from Russia and Mongolia Abstracts of the 5th joint meeting of the Phycological Society of America & International Society of Protistologists. July 29th–August 2nd, 2018. University of British Columbia, Vancouver, Canada., P. 116-117 (год публикации - 2018).

11. Тихоненков Д., Янушковеч Я., Михайлов К.В., Бурки Ф., Мыльников А., Килинг П. Newly identified lineage of eukaryotes with five discovered representatives and early mitochondrial genome reduction Abstracts of the 5th joint meeting of the Phycological Society of America & International Society of Protistologists. July 29th–August 2nd, 2018. University of British Columbia, Vancouver, Canada., P.85-86 (год публикации - 2018).

12. Штрассерт Ю., Джами М., Мыльников А., Тихоненков Д., Бурки Ф. New phylogenomic analysis of the enigmatic phylum Telonemia further resolves the eukaryote tree of life Molecular biology and evolution, - (год публикации - 2019).

13. Эрвэн Н.А.Т., Тихоненков Д.В., Хехенбергер Э., Мыльников А.П., Бурки Ф., Килинг П.Дж. Phylogenomics supports the monophyly of the Cercozoa Molecular Phylogenetics and Evolution, V. 130. P. 416-423 (год публикации - 2019).