Guillardia es un género de algas criptomonas biflageladas marinas con un plastidio obtenido mediante endosimbiosis secundaria de un alga roja. [1]
Identificada originalmente en Connecticut por Richard Guillard en la década de 1960, Guillardia sólo tiene una especie descrita. [2] El género es raro en la naturaleza, pero se cultiva bien y ha sido estudiado con frecuencia desde su descubrimiento original. La morfología general de la célula pequeña está bien descrita y comparte muchas similitudes con otras criptomonas , aunque contiene una organización única del periplasma . [2] Guillardia es la única criptomona que tiene secuenciado todo su núcleo , nucleomorfo y genoma de plastidio . [2] [3] [4] Este conocimiento ha impulsado más estudios sobre la transferencia de genes entre el cloroplasto, el nucleomorfo ancestral de alga roja , y el núcleo, [5] así como la regulación de la expresión de genes fotosintéticos [6] y del ciclo celular dentro de el plástido. [7] El género también es importante en la investigación en todas las disciplinas biológicas; Guillardia sirve como organismo modelo en el estudio de la endosimbiosis secundaria y la fotosíntesis en criptomonas debido a su facilidad de cultivo y genoma secuenciado . [8] También se han aislado dos canalrodopsinas aniónicas de Guillardia theta para aplicaciones de investigación neurobiológica como inhibidores optogenéticos . [9]
Originalmente, este género se denominaba "Cryptomonas especies theta" o "Flagellate theta". [2] [4] Hill y Weatherbee lo llamaron Guillardia en honor al Dr. Robert Guillard, el investigador que originalmente aisló el género. [2]
Especie tipo : Guillardia theta . [10]
La criptomona Guillardia theta fue aislada por primera vez por el Dr. Robert Guillard en Connecticut en 1963, donde la definió como “theta flagelada” en un simposio sobre las fuentes orgánicas de nitrógeno en las diatomeas marinas. [2] Desde entonces, el organismo se ha cultivado con éxito muchas veces. Cuando se la denominó Cryptomonas theta a principios de la década de 1980, se describieron los flagelos y un periplasto único. [11] [12] Después de estos estudios, se mapeó el genoma del plástido [13] y Hill y Weatherbee nombraron y caracterizaron el género en 1990, [2] antes de que el genoma del plástido fuera completamente secuenciado en 1999, [3] confirmando la característica común del plástido. ascendencia con algas rojas . Desde estos estudios originales, se han identificado muchos otros aspectos de este organismo, incluidos los mecanismos de división de nucleomorfos y plástidos y su regulación, [14] y pigmentos fotosintéticos , [15] mecanismos y regulación. [6] Debido a que crece tan bien en cultivo, Guillardia theta también se utiliza con frecuencia como organismo modelo en estudios modernos que investigan las características de las criptomonas .
En la naturaleza, Guillardia theta es un organismo marino planctónico poco común y la mayoría de los estudios se han completado a partir de cultivos. El género se aisló originalmente en Milford Harbor en Connecticut y solo se ha encontrado en otro lugar de Dinamarca desde su descubrimiento original. [2] El puerto de Milford incluye muchas áreas discretas como estuarios , marismas , cuencas marinas, puertos deportivos, playas, marismas y costas que proporcionan hábitats a una variedad de organismos diferentes. [16] Aunque no se registró la ubicación precisa del aislamiento, se cree que el género prolifera como fitoplancton en las aguas tranquilas de la cuenca marina. [1]
A. Larsen es el único otro investigador que ha identificado Guillardia en estado salvaje en el Mar de Wadden en Dinamarca. Sin embargo, esto sólo se reveló a través de un comunicado personal con Hill y Weatherbee, y nunca se publicó. [2] Otro hábitat marino del norte, el Mar de Wadden, consiste en una aglomeración de bancos de arena que proporcionan hábitats de estuario , aguas abiertas, marismas y playas de arena a los ecosistemas locales. [17]
Como el género es relativamente raro en la naturaleza, no se comprende bien su papel en los ecosistemas. Guillardia es un fitoplancton fotosintético con dos plastidios , lo que indica un papel en la producción primaria dentro del sistema. [1] Además, los ciliados son depredadores conocidos del género en cultivo, lo que sugiere el papel de Guillardia como presa dentro de los sistemas acuáticos. Mesodinium pulex , un ciliado fagotrófico bien estudiado común en ambientes marinos, salobres y de agua dulce , fue ingerido y creció en cultivos de Guillardia theta . [18]
La morfología del género Guillardia está bien descrita. La célula es aplanada dorsoventralmente y mide aproximadamente entre 7 y 11 μm de largo. [2] Como miembro de las criptomonas , tiene una garganta anterior y contiene un núcleo con nucléolo , un plastidio de cuatro membranas y doble lóbulo con pirenoide , un nucleomorfo estrechamente asociado con el plastidio, mitocondrias , aparato de Golgi asociado con dos flagelos , almidón . depósitos y eyectosomas en la garganta y el periplasto . [1] La estructura del periplasma , una capa de láminas delgadas compuestas de placas irregulares hechas de subunidades cristalinas, es una característica definitoria del género. El periplasma interno de Guillardia consiste en una sola hoja adyacente a la membrana plasmática , mientras que el periplasma interno de otras criptomonas está formado por placas de forma uniforme. [1] En ambos tipos de periplasma, los eyectosomas periféricos se encuentran debajo del periplasma en vesículas y un material no cristalino separa el periplasma de la membrana plasmática. [1] [2]
Los eyectosomas en Guillardia y otras criptomonas se utilizan principalmente para defensa y evasión, recubriendo la garganta de la célula. En Guillardia , las hebras alargadas y desiguales se encuentran dentro de las vesículas , mientras que la longitud de las hebras varía en otros géneros de criptomonas. La longitud de la hebra varía de 200 nm a 3,6 μm. En respuesta a factores estresantes externos como cambios rápidos de pH , cambios de osmolaridad o cambios de intensidad de la luz , las espirales salen disparadas de sus vesículas en el entorno circundante. El impacto de las hebras de eyectosoma con un objeto como otro organismo provoca el movimiento desigual hacia atrás de Guillardia para evadir a los depredadores. [8]
El plastidio en Guillardia surgió de un evento de endosimbiosis secundaria de un glóbulo de alga roja . Al igual que otras criptomonas, Guillardia es clave para comprender la endosimbiosis secundaria, ya que retiene el núcleo del endosimbionte de algas en forma de nucleomorfo dentro de un compartimento periplastidial y cuatro membranas que rodean el complejo plastidial. [1] Se supone que la membrana más externa es un remanente de la vesícula fagocítica ancestral y se continúa con el retículo endoplasmático de Guillardia . También se supone que el pequeño citoplasma periplastidial retiene componentes de su citoesqueleto , debido a los genes de tubulina localizados en el nucleomorfo . [19] Si bien muchas proteínas plastidiales permanecen en el nucleomorfo, aquellas que se sometieron a una transferencia endosimbiótica de genes al núcleo del huésped son dirigidas nuevamente a través de la membrana más externa mediante una translocación cotraduccional con una secuencia de señal bipartita N-terminal . [2] [7] Cada membrana posterior por la que pasa la proteína conserva mecanismos de translocación únicos. También se encuentran dentro del plástido ribosomas eucariotas y un pirenoide lleno de gránulos de almidón, donde se produce la fijación de CO 2 a través de la enzima RUBISCO . [1]
Al igual que otras criptomonas, los pigmentos captadores de luz de los cloroplastos plastidiales son ficobiliproteínas y proteínas de unión a clorofila a/c , homólogas a las que se encuentran en los linajes de algas rojas. A diferencia de las algas rojas, las antenas de ficobiliproteína en Guillardia se localizan en las luces de los tilacoides como pequeños complejos de proteínas solubles, en lugar de la gran antena asociada con las membranas de los tilacoides características de la fotosíntesis de las algas . [15] Los mecanismos utilizados para controlar los pigmentos fotosintéticos en Guillardia varían según la etapa de crecimiento. En las etapas de crecimiento logarítmico, Guillardia utiliza transiciones de estado para modular las entradas de energía, mientras que en la fase de crecimiento estacionario, la célula utiliza extinción no fotoquímica , un mecanismo para proteger a las plantas y algas de la alta intensidad de la luz. [7] No está claro por qué los dos mecanismos de regulación del aporte de energía se diferencian en las diferentes fases de crecimiento de Guillardia .
La motilidad se produce principalmente a través de dos flagelos asimétricos , el más largo sobresale anteriormente de la garganta, mientras que el flagelo más corto apunta a la parte posterior de la célula. [1] Un sistema de rizostilo y raicillas también contribuyen a la motilidad de Guillardia . [11] Curiosamente, los mecanismos de fotaxis de Guillardia theta que incorporan canalrodopsinas aniónicas para iniciar una respuesta de movimiento se han utilizado en aplicaciones de neurociencia como inhibidores optogenéticos . [9]
Para poder dividirse asexualmente adecuadamente , Guillardia debe replicar su célula, así como el nucleomorfo y el cloroplasto del plástido. [1] El género se divide mediante mitosis y nunca se ha observado que se divida sexualmente ; sin embargo, se han encontrado genes relacionados con la meiosis en el núcleo, lo que sugiere que tiene la capacidad de hacerlo. [5] La mitosis en Guillardia comienza después de la división de los plástidos, con la formación de husos mitóticos y el inicio de la división del cuerpo basal y los flagelos . Como muchos otros protistas flagelados, ambos flagelos preexistentes se convierten en el flagelo hijo de locomoción, mientras que los nuevos cuerpos basales se convierten en flagelos arrastrados a través de la transformación flagelar. A través de la metafase , se forma una placa de cromatina con túneles debido a la disolución de la membrana nuclear. Durante la anafase , los husos de los microtúbulos atraviesan los túneles de la placa y se unen a la cromatina, dividiendo la placa en dos. [1] Los restos de la membrana nuclear también parecen bordear el huso mitótico y permanecen en contacto con el retículo endoplásmico durante la mitosis. [14] La citocinesis ocurre en Guillardia durante la metafase y la anafase, con una capa delgada de materiales amorfos en lugar de estructuras de microtúbulos. [1]
La división plastidial ocurre antes de la división flagelar en la preprofase , y tanto la división del nucleomorfo como del cloroplasto ocurren una vez por ciclo celular de Guillardia . [1] La división del plástido se produce mediante la constricción del puente dorsal que conecta los dos lóbulos del plástido. Antes de completar la división del cloroplasto, el nucleomorfo se divide invaginando las membranas interna y externa del nucleomorfo. [14] La sincronización del cloroplasto, el nucleomorfo y la división de la célula huésped es vital para la evolución del endosimbionte de algas rojas hacia un orgánulo. El ARNm de HISTONA H2A del nucleomorfo codificado por el núcleo se acumula durante la fase S, mientras que los genes codificados por el nucleomorfo que regulan la replicación y división del nucleomorfo se expresan constantemente. [6] Esto sugiere que el endosimbionte perdió la capacidad de regular la transcripción dependiente del ciclo de replicación , pero el control de los genes dependientes del ciclo celular del núcleo del huésped regula la replicación y división del nucleomorfo y del cloroplasto.
Guillardia theta fue la primera criptomona con un genoma secuenciado completo . Su núcleo es haploide , con un nucleomorfo tetraploide y mitocondrias y plastidios con elevado número de copias. [20] Desde la secuenciación original, el genoma del plástido y del nucleomorfo también se ha secuenciado y mapeado para comprender mejor la ascendencia de las algas del plástido y la historia taxonómica del género. [1] El genoma nuclear tiene un tamaño aproximado de 87 megapares de bases que codifican 21.000 proteínas predichas, de las cuales el 57% son completamente únicas y no se conocen homólogos en otros organismos. [1] [5] El genoma contiene casi todas las características distintivas de la complejidad eucariota , incluido el sistema de endomembrana , la transcripción , el procesamiento y traducción del ARN , la modificación postraduccional, el recambio de proteínas y los genes citoesqueléticos . También se descubrió que el genoma nuclear de Guillardia tenía muchos intrones espliceosómicos y una gran familia de supuestas tirosina quinasas . De los 7.451 genes del núcleo de Guillardia , se determinó que 508 se originaban en linajes de algas. [5] A pesar de los datos que sugieren que la mayoría de estos genes se originan a partir de linajes de algas verdes , esta comparación no es confiable ya que muchas bases de datos de genomas tienden a estar sesgadas hacia los genes de algas verdes. [ 15]
La secuenciación de nucleomorfos revela un genoma relativamente pequeño con 487 genes de proteínas, pocos genes de mantenimiento, y sólo 31 genes están dirigidos al plastidio. [5] Está claro que el nucleomorfo se ha reducido significativamente en tamaño y depende casi por completo de la proteína dirigida al complejo periplastidial. El genoma nuclear del huésped codifica proteínas asociadas a la transcripción que presumiblemente actúan para regular la expresión génica en el nucleomorfo, así como proteínas de replicación del ADN y proteínas quinasas asociadas con la replicación celular . [1] [5] [8] La transferencia de estos genes al genoma del huésped representa claramente la pérdida de autosuficiencia del endosimbionte plástido. Sin embargo, la secuenciación completa de los genomas nucleares y nucleomorfos indica que durante la transferencia de genes endosimbiontes, las proteínas a menudo asumen nuevas funciones y ocupan diferentes compartimentos, por lo que la función no se puede determinar basándose en la historia evolutiva. El genoma de Guillardia contiene un alto nivel de mosaicismo con genes derivados del núcleo del huésped, nucleomorfo, plastidio y otras proteínas derivadas de algas extrañas. [5]
El genoma del plastidio de Guillardia theta fue también el primer plastidio de un organismo que contiene nucleomorfo en ser mapeado y secuenciado físicamente para dilucidar el origen endosimbiótico del plastidio. [5] [1] El genoma consta de 121 kilopares de bases, de los cuales 4kbp codifican los dos cistrones de ARNr para la producción ribosómica. En las regiones codificantes, 46 genes son para la fotosíntesis, 10 genes son genes biosintéticos, de replicación y división, 44 codifican proteínas ribosomales y 7 están involucrados en la transcripción y traducción. [3] Algunos genes se superponen y no hay intrones contenidos dentro del genoma, lo que lo hace bastante compacto. [13] Además, hay muchos genes policistrónicos que son idénticos a los identificados en el plástido de un alga roja, Porphyra purpurea . [3] Esto sugiere la ascendencia común del plástido tanto en Guillardia como en Porphyra .
Guillardia se ha utilizado con frecuencia como criptomona modelo para la genómica de endosimbiontes de algas y muchos otros estudios de criptomonas. Debido a que el género se cultiva tan bien, fue la primera criptomona en la que se secuenció todo su genoma nuclear, nucleomorfo y plastidio. [1] La información obtenida de estos datos ayudó a dilucidar los mecanismos de la endosimbiosis secundaria presente en linajes de protistas que contienen plastidios de algas rojas endosimbióticas. [3] Además de la secuenciación molecular, los mecanismos de replicación y los mecanismos fotosintéticos incorporados en los plástidos de los organismos Guillardia se han estudiado bien como modelo para otras especies de criptofitas. El género también se utilizó como modelo para estudiar la síntesis de almidón del periplasto en criptofitas, lo que demuestra que el periplasto de Guillardia theta utiliza una vía basada en UDP-glucosa para sintetizar almidón. [21]
Además, se ha descubierto que las proteínas aniónicas canalrodopsina de Guillardia theta inducen la hiperpolarización neuronal en ensayos optogenéticos . [9] Las canalrodopsinas son canales aniónicos regulados por la luz que inducen el movimiento flagelar hacia fuentes de luz en las algas. En estudios en humanos, las canalrodopsinas aniónicas se pueden implementar para inducir la hiperpolarización impulsada por el cloruro, silenciando las neuronas específicas en momentos específicos. [22] Esto permite a los neurocientíficos estudiar los circuitos neuronales mediante la fotosupresión de neuronas específicas. Antes del descubrimiento de las canalrodopsinas aniónicas en Guillardia , los métodos para el silenciamiento optogenético de las neuronas eran menos efectivos y precisos. Si bien este descubrimiento sigue siendo increíblemente útil para la investigación en neurociencia, investigaciones adicionales demostraron que la canalrodopsina aniónica de Rhodomonas salina tiene un tiempo de respuesta reducido entre la estimulación y la apertura del canal. [22] Como tal, las canalrodopsinas de Guillardia ya no se utilizan con tanta frecuencia para ensayos de neurociencia.
Además, se ha utilizado como presa para el cultivo y estudio de otros organismos, como Mesodinium ciliates. [8] [18]