Охрофиты Временной диапазон: Средний протерозой [1] | |
---|---|
Густой лес водорослей с подлеском в Партридж-Пойнт около пещер Дэйва, Капский полуостров | |
Научная классификация | |
Домен: | Эукариоты |
Клад : | Диафоретики |
Клад : | САР |
Клад : | Страменопилы |
Тип: | Гириста |
Подтип: | Ochrophytina Cavalier-Smith, 1986 г., исправление. 1996 [2] |
Тип рода | |
Фукус Линней , 1753 г. | |
Классы [4] | |
| |
Разнообразие | |
23 314 описанных видов [5] >100 000 предполагаемых видов [6] | |
Синонимы | |
|
Охрофиты , также известные как гетероконтофиты или страменохромы , представляют собой группу водорослей . Это фотосинтетические страменопилы , группа эукариот , организмы с клеточным ядром , характеризующиеся наличием двух неравных жгутиков , один из которых имеет трехраздельные волоски, называемые мастигонемами . В частности, они характеризуются фотосинтетическими органеллами или пластидами , заключенными в четыре мембраны , с мембранно-связанными отсеками, называемыми тилакоидами, организованными в стопки по три, хлорофиллами a и c в качестве их фотосинтетических пигментов , и дополнительными пигментами, такими как β-каротин и ксантофиллы . Охрофиты являются одной из самых разнообразных линий эукариот, содержащей экологически важные водоросли, такие как бурые водоросли и диатомовые водоросли . Они классифицируются либо как тип Ochrophyta или Heterokontophyta , либо как подтип Ochrophytina внутри типа Gyrista . Их пластиды имеют происхождение из красных водорослей .
Охрофиты — это эукариотические организмы, состоящие из клеток , которые либо голые, либо покрыты чешуйками, лорикой или клеточной стенкой . Они могут быть одноклеточными , колониальными , ценоцитными или многоклеточными . Некоторые Phaeophyceae развиваются как крупные многоклеточные талломы с дифференцированными тканями . [7] Все охрофиты одинаково имеют трубчатые митохондриальные кристы . [10] Это общая черта, общая для их родственников, гетеротрофных страменопил , а также других близкородственных групп, таких как Rhizaria , Telonemia и Alveolata . [11] [12] Как в первую очередь фотосинтетические эукариоты, они считаются водорослями , отличающимися от других групп водорослей специфическими морфологическими и ультраструктурными признаками, такими как их жгутики , хлоропласты и пигменты . [10]
Как и страменопилы (= гетероконты ), их плавательные клетки часто демонстрируют два заметно неравных жгутика: передний жгутик («мишура») с похожими на соломину полыми трехраздельными волосками, называемыми мастигонемами , и незрелый задний гладкий жгутик («хлыст»), лишенный этих волосков. [13] [10] Ресничная переходная зона жгутика обычно имеет переходную спираль. [7]
Охрофиты в основном фотосинтезируют. Таким образом, они могут обладать одной или несколькими фотосинтетическими пластидами ( хлоропластами ) на клетку. [14] Некоторые группы содержат виды с лейкопластами , хлоропластами, которые утратили фотосинтетическую способность и пигменты, но, предположительно, продолжают играть роль в синтезе аминокислот , липидов и гемовых групп. [10] Охрофиты имеют отличную от других групп водорослей ультраструктуру пластид. [14] Их хлоропласты возникают в результате вторичного эндосимбиоза с красной водорослью , что приводит к четырем [a] окружающим мембранам : двум внутренним мембранам, соответствующим первичным пластидным мембранам; третьей мембране, соответствующей плазматической мембране красной водоросли; и самому внешнему слою, соответствующему мембране фагосомы . [17] Эта характеристика отличает их от архепластидных водорослей ( глаукофитов , красных водорослей и зеленых водорослей ), чьи хлоропласты имеют только две мембраны. [18] Два внешних слоя пластид охрофитов соприкасаются с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), вместе составляя эндоплазматический ретикулум хлоропластов (ЭРХ), [14] также известный как перипластидный эндоплазматический ретикулум (ПЭР), который часто соединен с ядерной оболочкой . Трехраздельные жгутиковые волоски, характерные для страменопил, образуются либо в ЭР, либо в ядерной оболочке. [10]
Перипластидный отсек (ПК), между вторым и третьим слоями, представляет собой отдельную область, которая в других группах водорослей (т. е. криптомонады и хлорарахниофиты ) содержит нуклеоморф , рудиментарное ядро вторичного эндосимбионта; однако, нуклеоморфы не известны в пределах охрофитов. Вместо этого в ПК были обнаружены другие структуры, аналогичные тем, что наблюдаются в гаптофитах и хромеридовых водорослях: [14] «капельноподобные структуры», где локализуются белки ПК, и везикулярная сеть. [17] В пределах CER имеется заметная область тесных прямых контактов между перипластидной мембраной и внутренней ядерной оболочкой, где могут происходить липидные переносы и, возможно, обмен другими молекулами. [17]
Обычно в строме пластиды три сложенных друг на друга тилакоида дифференцируются в «поясную пластинку», которая проходит по периферии пластиды под самой внутренней мембраной. [14] Остальные тилакоиды расположены в стопках по три. [10] У синхромофитов и ауреаренофитов консорциум из нескольких пластид, каждая из которых окружена двумя или тремя внутренними мембранами соответственно, окутан общей внешней мембраной. [14]
Хлоропласты охрофитов содержат хлорофиллы a и c в качестве фотосинтетических пигментов , в дополнение к фукоксантину . [13] Хлорофилл a связывается с тилакоидами, в то время как пигмент c присутствует в строме. [10] Наиболее частым вспомогательным пигментом у охрофитов является желтый β-каротин . Золотисто-коричневая или коричневая пигментация у диатомовых водорослей , бурых водорослей , золотистых водорослей и других придается ксантофиллом фукоксантином . У желто-зеленых или желто-коричневых рафидофитов , эустигматофитов и ксантофитов вместо этого доминирует ваухериаксантин. Эти комбинации пигментов расширяют их фотосинтетическую способность за пределы одного хлорофилла a . Кроме того, ксантофиллы защищают фотосистемы от света высокой интенсивности. [10]
Водоросли охрофиты накапливают хризоламинарин , углевод, состоящий из коротких цепочек β-1,3-связанных молекул глюкозы , в качестве продукта хранения. [10] [19] Он хранится в пузырьках, расположенных внутри цитоплазмы , вне пластид, в отличие от других водорослей. [13] Цитоплазматические липидные капли также распространены. [10] У них отсутствует крахмал , который является обычным продуктом хранения в зеленых водорослях и растениях. [7]
Охрофиты способны к бесполому размножению путем фрагментации , пропагул , вегетативного деления клеток , спорогенеза или зооспорогенеза. Кроме того, они способны к половому размножению через гаметы тремя различными способами: изогамия , анизогамия или оогамия . [7]
Охрофиты присутствуют практически во всех средах обитания. [19] Некоторые классы более распространены в морских местообитаниях, в то время как другие чаще встречаются в пресной воде или почве. [10] Среди линий охрофитов есть диатомовые водоросли, самые распространенные фотосинтетические эукариоты во всем мире в морских местообитаниях; многоклеточные морские водоросли, такие как бурые водоросли (например, ламинария ) и золотистые водоросли; и ряд микроскопических одноклеточных линий, которые также широко распространены, о чем свидетельствует экологическое секвенирование . [14] Что касается питания, различные охрофиты являются миксотрофными , обычно через фагоцитоз . [19]
Несколько классов водорослей гетероконт известны исключительно из морских местообитаний, такие как Bolidophyceae , Pelagophyceae , Pinguiophyceae и Schizocladiophyceae. Бурые водоросли (Phaeophyceae) являются почти исключительно морскими, с очень немногими пресноводными родами. [19]
Chrysophyceae , Phaeothamniophyceae и Xanthophyceae являются преимущественно пресноводными классами. В проточных местообитаниях (реках, ручьях) золотистые водоросли (Chrysophyceae) и желто-зеленые водоросли (Xanthophyceae) обычны и иногда многочисленны. В частности, род золотистых водорослей Hydrurus может быть широко распространен в некоторых водосборных бассейнах и распространен в холодных, чистых, быстро текущих горных ручьях, где он прикрепляется к твердому субстрату. Роды Xanthophycea, обычно встречающиеся в реках, включают Vaucheria , Tribonema и Bumilleria , которые либо свободно плавают, либо прикреплены к нитчатым водорослям и растениям. [20] Диатомовые водоросли более разнообразны, в реках обычно встречается более 60 родов. Многие речные диатомовые водоросли выработали различные стратегии прикрепления к субстрату, чтобы избежать смещения водными течениями. Самая простая стратегия заключается в производстве внеклеточных полимерных веществ , разнообразных углеводных структур, образованных из клеточной мембраны. В быстротекущих водах некоторые диатомовые водоросли (например, Cocconeis ) растут, непосредственно прикрепленные к субстрату с помощью клейких пленок. Другие (например, Eunotia , Nitzschia ) отращивают стебли или колониальные трубки, способные достигать более высоких уровней в толще воды, чтобы получать больше питательных веществ. [21] Бурые водоросли (Phaeophyceae), хотя и очень разнообразны, содержат только семь видов , присутствующих в реках. У них отсутствуют какие-либо сложные многоклеточные талломы, и вместо этого они существуют в виде бентосных нитчатых форм, которые эволюционировали независимо от морских предков. [22]
Две основные линии фотосинтетических страменопил включают множество токсичных видов. В классе Raphidophyceae штаммы Heterosigma и Chattonella в высоких концентрациях ответственны за смертность рыб, хотя природа и действие их токсинов не выяснены. Пресноводные виды Gonyostomum способны выделять слизь в больших количествах, губительную для жабр рыб. В диатомовых водорослях ( Bacillariophyta ) вредные эффекты могут быть вызваны физическим повреждением или выработкой токсинов. Центрические диатомовые водоросли, такие как Chaetoceros, живут в виде колониальных цепочек клеток с длинными шипами (щетинками), которые могут закупоривать жабры рыб, вызывая их смерть. Среди диатомовых водорослей единственные производители токсинов были обнаружены среди пеннатных диатомовых водорослей, почти полностью в пределах рода Pseudonitzschia . Более дюжины видов Pseudonitzschia способны вырабатывать нейротоксин , домоевую кислоту , причину амнезического отравления моллюсками. [23]
Охрофиты составляют весьма разнообразную кладу в пределах Stramenopila , эукариотической супергруппы , которая также включает несколько гетеротрофных линий протистов , таких как оомицеты , гифохитриды , лабиринтулеи , опалины и бикозоециды . [24] [4] [25] Эта линия страменопил произошла от события вторичного эндосимбиоза , когда красная водоросль трансформировалась в хлоропласт общего предка охрофитов. [4] [26] [27]
По оценкам, вся группа охрофитов эволюционировала между 874 и 543 миллионами лет назад (млн лет) с помощью вывода молекулярных часов . Однако самые ранние ископаемые останки, приписываемые ксантофиту Palaeovaucheria возрастом миллиард лет , [1] предполагают, что охрофиты появились к 1000 млн лет назад. Другими ранними предполагаемыми представителями фотосинтетических страменопил являются Jacutianema (750 млн лет), Germinosphaera (750–700 млн лет) и бурая водоросль Miaohephyton (600–550 млн лет). Чешуйки, похожие на чешуйки современных хризофитов , и створки, напоминающие современные центрические створки диатомовых водорослей, были обнаружены в отложениях возрастом 800–700 миллионов лет. [28]
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Эволюционные отношения между всеми классами охрофитов, основанные на последних филогенетических анализах, [30] [27] [29] [3] и приблизительном количестве видов в каждом классе. [4] |
Отношения между многими классами охрофитов остаются неразрешенными, но три основные клады (называемые SI, SII и SIII) поддерживаются в большинстве филогенетических анализов . Линия SI, содержащая разнообразный и многоклеточный класс Phaeophyceae , или бурые водоросли, претерпела эволюционную радиацию в позднем палеозое (около 310 миллионов лет назад). Класс Schizocladiophyceae является сестринской линией для бурых водорослей, за которым следует клада близкородственных классов Xanthophyceae , Phaeosacciophyceae [29] и Chrysoparadoxophyceae. [ 15] Это, в свою очередь, сестринская линия для клады, содержащей Aurearenophyceae и Phaeothamniophyceae , [4] , которые иногда рассматриваются как один класс Aurophyceae. [27] Raphidophyceae являются наиболее базальными в пределах SI. Линия SII содержит золотистые водоросли или Chrysophyceae , а также более мелкие классы Synurophyceae , Eustigmatophyceae , Pinguiophyceae и Picophagea (также известные как Synchromophyceae). Обе клады, SI и SII, составляют линию Chrysista . Остальные классы сгруппированы в сестринской линии Diatomista , эквивалентной линии SIII; это диатомовые водоросли или Bacillariophyceae, Bolidophyceae , Dictyochophyceae (включая силикофлагелляты ) и Pelagophyceae . [4] Новый класс водорослей, Olisthodiscophyceae , был описан в 2021 году и восстановлен как часть линии SII. [3]
Одна группа гетеротрофных солнечниковых простейших, Actinophryida , [31] включена в некоторые классификации как сестринская линия к рафидофитам , и обе группы рассматриваются как один класс Raphidomonadea на основе филогенетического анализа 18S рДНК . [32] Однако недавнее филогеномное исследование помещает одну актинофриду, Actinophrys sol , в качестве вероятной сестринской группы к охрофитам. Хотя у нее отсутствуют хлоропласты, пластидиальные гены были обнаружены в ядерном геноме этой актинофриды, что подразумевает, что ее общий предок с охрофитами, возможно, уже начал одомашнивать пластиды. [33]
В иерархических классификациях, где используются таксономические ранги ( царство , тип , класс , порядок ...), водоросли гетероконт обычно рассматриваются как целый тип (или подраздел в ботанической номенклатуре ) под названием Ochrophyta , входящий в состав Stramenopila или Heterokonta . [24] Тип был впервые описан протозоологом Томасом Кавальер-Смитом в 1986 году как Ochrista , позднее переименованный в Ochrophyta в 1996 году в соответствии с рекомендациями Международного кодекса номенклатуры водорослей, грибов и растений (ICN). [2] [34] Он оставался таксоном уровня типа до 2017 года, когда тот же автор понизил его до уровня подтипа и изменил название на Ochrophytina, чтобы соответствовать суффиксу -phytina в ботанической номенклатуре, который соответствует подразделениям. Филум, к которому принадлежат охрофиты в его системе классификации, — Gyrista , клада, которая также содержит некоторые гетеротрофные гетероконты, а именно Pseudofungi и Bigyromonada . [27] Gyrista и Bigyra составляют две основные ветви страменопил, которые рассматриваются как надфилюм Heterokonta в пределах царства Chromista . Однако эта система классификации не используется из-за немонофилетической природы царства . [25]
В то время как Ochrophyta является предпочтительным названием для общих протистологов и протозоологов, название Heterokontophyta считается более знакомым среди фикологов . [7] Происхождение этого названия - класс Heterokontæ , введенный финским биологом Александром Фердинандом Лютером в 1899 году [35] для включения порядков Chloromonadales и Confervales, позже разделенных на Xanthophyceae и Raphidophyceae . Это название ссылалось, среди прочих черт, на два неравных жгутика, характерных для всех Stramenopiles , также известных как гетероконты. После нескольких открытий с помощью электронной микроскопии , Кристиан ван ден Хук ввел в 1978 году подразделение Heterokontophyta для пяти классов водорослей: Chrysophyceae , Xanthophyceae , Bacillariophyceae , Phaeophyceae и Chloromonadophyceae . [36] Для группировки водорослей гетероконт с амбивенарными организмами использовались несколько других названий , таких как Chromophyta , Heterokonta и, наконец, Stramenopiles , которое не является валидно опубликованным названием в рамках ICN . [7] В настоящее время несколько фикологов выступают за использование Heterokontophyta в качестве названия типа для водорослей гетероконт. Однако первоначальное использование Хуком в 1978 году не содержало латинского описания, которое было обязательным для валидной публикации в рамках ICN до 2011 года. Фикологи Майкл Гайри , Эйвинд Моэструп и Роберт Андерсен валидно опубликовали Heterokontophyta как тип в 2023 году. [7]
В отличие от иерархической классификации, кладистическая классификация признает только клады как действительные группы, отвергая использование парафилетических или полифилетических групп. Этот метод классификации предпочитают протистологи. Последняя редакция Международного общества протистологов в 2019 году признает Ochrophyta как действительный таксон в пределах высшей группы Stramenopiles , в пределах супергруппы SAR . [25] Подразделение охрофитов между Chrysista и Diatomista полностью принято научным сообществом и подкреплено филогенетическим анализом. [25]
По состоянию на 2024 год охрофиты насчитывают 23 314 описанных видов, из которых 490 видов имеют неопределенное положение. [5] Однако, по оценкам, их насчитывается более 100 000 видов, большинство из которых являются диатомовыми водорослями. [6] Ниже представлена текущая классификация охрофитов в соответствии с пересмотром классификации эукариот 2019 года [25] с включением классов водорослей, описанных в более поздние годы [15] [29] [3] , а также количество описанных видов для каждого класса. [5] Согласно вышеупомянутому пересмотру 2019 года, проведенному протистологами, диатомовые водоросли (Diatomeae) не образуют единого класса Bacillariophyceae, а многочисленные классы, отражающие филогенетические достижения за предыдущее десятилетие. [25]
Многоклеточные водоросли класса Phaeophyceae были описаны в ранних китайских (около 3000 г. до н. э.), греческих (300 г. до н. э., например, Теофрастом ) и японских (около 500 г. н. э.) трудах. Знание о них, вероятно, предшествовало письменной истории, поскольку они использовались в качестве пищи , красителей и в медицинских целях. Первое формальное описание водоросли страменопила было дано Линнеем в его работе 1753 года Species Plantarum для рода Fucus . Вскоре после этого Отто Фридрих Мюллер описал одноклеточные золотистые водоросли . В эту первую эпоху научных открытий бурые водоросли были описаны как растения , в то время как микроскопические водоросли рассматривались как животные под названием инфузории . [19]
В 20 веке эволюционные и филогенетические дискуссии начали включать гетероконтовые водоросли. Трансмиссионная электронная микроскопия и молекулярный филогенетический анализ привели к описанию многих новых групп и нескольких классов в 21 веке. Секвенирование первого генома охрофита, принадлежащего Thalassiosira pseudonana , началось в 2002 году. [19]