Для лишайника третий не лишний

Letharia vulpina – один из лишайников, которые вынуждают ученых выбросить на свалку все монографии по лихенологии за последние стопицот лет. Такой маленький и такой суровый. Фото: Tim Wheeler.

«Виктор Ковылин

Тоби Сприбилл вырос в трейлерном парке в штате Монтана (США), обучаясь на дому и мечтая уехать из родной глуши и получить настоящее образование. Уже тогда он всей душой полюбил лишайники, на которые регулярно натыкался во время лесных прогулок. Но мог ли он представить, что ему суждено перевернуть научные представления о лишайниках, сложившиеся в последние 150 лет? Скажи ему об этом – он посмеялся бы над вами и спрятался бы под лишайник.

В 19-летнем возрасте Тоби устроился на работу в местное лесничество и через несколько лет скопил деньжат, чтобы отправиться учиться в Европу, так как без школьного образования и деньжищ в американские вузы его никто бы не взял. Закончив Геттингенский университет (Германия) и аспирантуру Грацкого университета (Австрия), Сприбилл получил место на родине, в Университете Монтаны, и нынче двигает лихенологию вперед, причем так ретиво, что из-за него, по всей видимости, теперь придется переписывать все учебники.

Тоби Сприбилл показывает любимые лишайники коллегам, пока те переписывают учебники. Фото: Toby Spribille.

Лишайники, на первый взгляд, и внимания-то не заслуживают. Уверены, вы даже не замечаете их вокруг: на столбах, дверях, камнях, скамейках, деревьях. Но при внимательном рассмотрении они способны поразить своим разнообразием, а подчас и красотой: от невзрачных пленочек и корочек, похожих на облупленную краску, до прелестных коралловидных кустиков и чудных чашечек, из которых лесные феи пьют волшебную росу. Кроме того, лишайники необычайно живучи, они способны расти в самых негостеприимных местах планеты, где не выжить ни одному макроскопическому животному или растению. Вероятно, они были одними из первых поселенцев на суше, и они останутся здесь жить, когда все остальные вымрут. Вот увидите, лишайники еще спляшут на ваших костях меланхоличную мазурку (хотя нет, не увидите).

До середины XIX века ученые думали, что лишайники – это растения. Однако в 1852 году француз Луи Рене Тюлан обнаружил у них апотеции – репродуктивные органы, свойственные грибам аскомицетам. Непоняток добавило открытие в этих грибах одноклеточных водорослей. Поначалу считалось, что они там паразитируют, но в 1867 году русские ботаники Андрей Фаминцын и Осип Баранецкий показали, что водоросли могут жить независимо от гриба. Примерно в то же время швейцарский ботаник Симон Швенденер пришел к пониманию двойной природы лишайников – как организмов, функционирующих только при наличии обоих компонентов: гриб без водорослей выжить не может.

Эта идея поражала своей дерзостью, поскольку шла вразрез с логичным делением организмов на четкие группы: либо ты гриб, либо растение, либо вообще минерал, сиди смирно и не выветривайся. Но со временем науке пришлось примириться с дуализмом лишайников. Надо сказать, Швенденер ошибочно полагал, что этот дуализм есть результат порабощения водорослей грибом с целью заставить их на себя работать. Но вскоре выяснилось, что отношения эти взаимовыгодные: водоросли фотосинтезируют, кормят гриб сахарами и поят спиртами, а он в свою очередь создает им для этого все необходимые условия, способствуя воспроизводству. В 1879 году немецкий биолог Генрих Антон де Бари, основатель современной микологии, придумал для таких мутуалистических отношений термин «симбиоз» (и «мутуализм» тоже ввел в обиход он). Самой идеей о симбиозе наука, таким образом, обязана лишайникам.

К настоящему времени в лихенологии сложились четкие представления о лишайниках как о двучастных системах из микобионта (гриб одного определенного вида) и фотобионтов (водоросли или цианобактерии одного вида либо одновременно и водоросли, и цианобактерии, но не два вида водорослей сразу и не два вида цианобактерий). Зная о составе, биологи неоднократно пытались воспроизвести лишайниковый симбиоз из отдельных его компонентов, выращивая микобионт вместе с подходящими ему фотобионтами. Но ничего у них не получалось. Как будто для формирования полноценного лишайника чего-то не хватало. И благодаря Тоби Сприбиллу мы теперь, похоже, знаем, чего именно. Его научная группа нашла третий необходимый компонент.

Bryoria fremontii (слева) и Bryoria tortuosa (справа). Фото: Spribille et al., 2016.

Вместе с университетским коллегой Джоном Маккатченом, специалистом по симбиозам и продвинутым молекулярным методам, Сприбилл стал изучать два лишайника, что свисают с ветвей в лесах штата Монтана, словно забытые лешим парики. Один из них, известный как Bryoria tortuosa, содержит много ядовитой вульпиновой кислоты и оттого желтоват. Другой, Bryoria fremontii, кислоты лишен и потому съедобен и коричнев. В течение века столь разные качества и облик не давали усомниться в том, что это разные лишайники, пока в 2009 году внезапно не выяснилось, что грибной и водорослевой компоненты у них абсолютно одинаковы. Как такое может быть?

Чтобы выяснить это, Сприбилл и Маккатчен проанализировали их транскриптомы на предмет того, какие гены у лишайников активны. Но различий не выявили. Может, поиск был слишком узконаправленным? Зная о том, что грибной компонент этих бриорий является аскомицетом, ученые целенаправленно выискивали и анализировали только гены аскомицетов. Но что если произвести поиск по всему царству грибов? В порядке бреда Сприбилл осуществил эту затею… и обнаружил кое-что очень странное. Множество генов, которые были активны в лишайниках, принадлежали совершенно другой группе грибов – базидиомицетам!

Поначалу биологи думали, что в пробу попали базидиомицеты, которые росли на лишайниках, возможно даже с патогенными целями, то есть это результат загрязнения. Или же случайная ошибка анализа, так иногда случается, на томатном поле в Виргинии находят гены утконосов, а в лесах Вьетнама – тюленей. Но результаты указывали на явную связь базидиомицетовых генов с производством вульпиновой кислоты – они присутствовали в обоих лишайниках, но больше их было в желтом. Вот тогда-то Сприбилл и заподозрил, что базидиомицеты являются необходимой составной частью лишайников.

И не только этих двух. В течение карьеры Сприбилл насобирал примерно 45 тысяч образцов разнообразных лишайников из разных частей света – все они тут же пошли в анализ. Практически во всех макролишайниках, а именно у представителей 52 родов с шести континентов, обнаружились гены базидиомицетов! Надо пояснить, что базидиомицеты и раньше были известны из лишайников, но только в качестве единственных микобионтов. В данном случае биологи обнаружили их в качестве вторых микобионтов, что противоречит главному принципу лихенологии: «один лишайник – один микобионт». Причем выявленные базидиомицеты – представители совершенно новых семейств из недавно открытой группы, чья эволюционная линия отделилась от ближайших известных родственников порядка 200 млн лет назад.

Это казалось таким невероятным, что ученые не могли сами в свои результаты поверить. «Мы проверяли данные больше десяти раз, – вспоминает Сприбилл. – Было совершенно немыслимо, что столько людей могли такое проглядеть. На протяжении столетий ученые и естествоиспытатели глядели на лишайники в микроскопы, и эти дрожжи все время были там, но только нам удалось их конспирацию раскрыть. Аж мурашки по телу!»

Под словом «дрожжи» ученые понимают одноклеточные грибы, не образующие грибницу (пекарские дрожжи тоже дрожжи, только относятся они к сахаромицетам). Именно такие клеточки Сприбиллу удалось увидеть в микроскоп, после того как пометил РНК аскомицетов, базидиомицетов и водорослей разными флуоресцентными молекулами. Без подсветки клетки базидиомицетов выглядят в увеличении идентично поперечным срезам аскомицетовых веточек – вот почему никто не подозревал, что они там могут быть. Не зная, что именно ищешь, ни за что их не найдешь, даже если они у тебя под носом и пищат.

А дрожжи-базидиомицеты и не думали скрываться – они живут в матриксе из сахаров на поверхности самого внешнего, коркового слоя лишайника, сложенного гифами аскомицетов. Фотобионты живут в слое поглубже, а под ними располагается сердцевина, состоящая из беспорядочно переплетенных аскомицетовых нитей. Базидиомицеты, таким образом, словно укутывают собой остальных партнеров по лишайнику. «Они там повсюду во внешнем слое», – утверждает Сприбилл.

Фрагмент наружной части лишайника Bryoria tortuosa под флуоресцентным микроскопом: синими метками показаны гифы аскомицета, красными – живущие в них водоросли, зелеными – базидиомицеты. Фото: Toby Spribille.

Чем именно они там занимаются, какова их функция – сложно пока сказать. Раз уж у Bryoria tortuosa их наличие связано с вульпиновой кислотой, можно предположить, что дрожжи ее производят для защиты лишайника от вторжения агрессивных и вредных микробов. Однако не факт, что они сами ее производят, – может, они выделяют вещества, которые активируют производство кислоты партнером-аскомицетом. Возможно, дрожжи как-то влияют на рост «большого брата» или помогают ему формировать защитный корковый слой. «На самом деле мы не знаем, что они делают, – говорит Джон Маккатчен. – А учитывая их наличие, мы и про аскомицетов тогда не знаем, что они делают. Вся активность, которую раньше им приписывали, может в равной степени относиться к базидиомицетам. Много фундаментальных тезисов лихенологии необходимо пересмотреть и, возможно, переписать».

Неожиданное открытие заставляет еще раз внимательно изучить самый известный в мире симбиоз, который, как казалось, уже изучен вдоль и поперек. Многие специалисты с возбуждением восприняли новость, кто-то называет исследование второй важнейшей вехой после открытия симбиотической природы лишайников полтора века назад, другие требуют предъявить дополнительные доказательства. Третьи уже всерьез настроены на новые эксперименты по воспроизведению лишайников из отдельных компонентов в лабораторных условиях, хотя сам механизм формирования симбиоза пока что является тайной.

Что же касается возможности того, что лишайники могут скрывать и четвертого, а может, и пятого, и шестого участника симбиоза, – на это Тоби Сприбилл, хитро улыбаясь, отвечает: «Я определенно не стал бы исключать подобного развития событий», – и, подмигнув, прячется под лишайник».

Источник The Batrachospermum Magazine

Оригинал в Science