Криптофи́товые во́доросли, или криптомона́ды, или криптофи́ты (), — группа одноклеточных эукариотических фотосинтезирующих организмов, включающая около 165 видов, которой традиционно присваивают ранг типа. Почти все криптофитовые имеют монадную форму с дорсовентральным строением, несут два неравных жгутика. Покровы клетки представлены перипластом, имеются стрекательные структуры (эжектосомы). Хлоропласты окружены четырьмя мембранами и содержат редуцированное ядро — нуклеоморф. Основные фотосинтетические пигменты — хлорофиллы a, c2, а также каротиноиды и фикобилины. Митоз обычно открытый, без центриолей, размножение в основном — вегетативное (делением клеток пополам).
Криптофитовые водоросли обитают как в морских, так и в пресных водах, могут вызывать цветение воды.
История изучения
Начало научному изучению криптофитов положил немецкий естествоиспытатель Христиан Готфрид Эренберг, который в 1831 году в своей статье — P. 1—126. впервые ввёл имена родов и , не сопроводив их какими-либо словесными описаниями или рисунками. Упомянул эти два рода он и в другой статье (написанной в том же году, но опубликованной в 1832 году), однако диагнозы обоих родов, обстоятельные описания и информативные рисунки появились только в основном труде Эренберга «Инфузории как совершенные организмы» (1838).
В начале и середине XX века значительный вклад в изучение криптофитов внесли альгологи Адольф Пашер, Генрих Скуя и Роджер Бутчер, а в 1980—1990-е серьёзные уточнения в систематике этой группы водорослей сделали Уве Санторе, Д. Хилл и Р. Уэзерби, Дж. Новарино и И. Лукас. В конце XX — начале XXI века особенное развитие получили исследования ультраструктуры криптофитов средствами электронной микроскопии, экология и молекулярная генетика криптофитов.
Биология клетки
Большинство криптофитовых — одноклеточные подвижные организмы монадной формы с дорсовентральным строением и жгутиками. Своё название группа получила за очень маленькие размеры (от 3 до 50 мкм), которые делают их малозаметными ( — скрытый и — одинокий). У некоторых представителей в жизненном цикле имеется пальмеллоидная стадия (например, у и ). Лишь один вид — Bjornbergiella hawaiiensis — формирует простые нитчатые талломы. Среди криптофит известны неподвижные в вегетативном состоянии колониальные и одноклеточные коккоидные организмы (однако существование таких форм оспаривается).
Клетка типичной криптофитовой водоросли уплощённая, с выпуклой спинной и вогнутой брюшной сторонами. Форма клеток разнообразна: яйцевидная, эллипсоидная, грушевидная, бобовидная, веретеновидная. Передний конец клетки скошен, от него отходит продольная борозда, не доходящая до заднего конца. Наличие борозды и её длина используются в качестве признаков для определения родов.
У некоторых представителей на переднем конце тела имеется мешковидная глотка, или вестибулум, или крипта. У разных форм глотка имеет различную длину, она может проходить вдоль или поперёк тела. Иногда она разветвляется; у некоторых видов криптофит глотка укреплена цитоскелетными образованиями — электронно-плотными пластинами. Функциональное значение глотки до сих пор неясно; во всяком случае, у большинства фототрофных форм никогда не наблюдался захват ею каких-либо частиц.
Клеточные покровы
Покровы клеток криптофит представлены перипластом, который состоит из плазмалеммы и двух дополнительных слоёв белкового материала, расположенных над и под плазмалеммой. Внутриклеточная часть перипласта может иметь форму сплошного чехла, как у , или состоять из отдельных пластинок: шестиугольных, как у , или прямоугольных, как у . Прикрепление белковых пластинок к плазмалемме осуществляется за счёт округлых или многоугольных внутримембранных частиц. Наружная часть перипласта может состоять из пластинок, чешуек, слизи или их комбинации. В области глотки перипласта нет, однако закладка новых пластинок перипласта начинается в области рядом с глоткой. Перипласт обеспечивает постоянство формы клетки и предопределяет вид её поверхности: ровный или структурированный (так, у Chroomonas поверхность клетки состоит из прямоугольников, у — из шестигранников). Клетка может секретировать наружу сульфатированные полисахариды, богатые фукозой.
Жгутики На переднем конце клетки у монадных форм криптофит имеются два неравных жгутика, по длине сопоставимые с самой клеткой. Оба жгутика отходят от возвышения на краю глотки. Различия в длине между жгутиками невелики: отношения их длин колеблются от 3:5 до 9:10. Оба жгутика заканчиваются более узкой частью — акронемой, в которую заходят лишь две центральные трубочки аксонемы — С. 179—183..
Когда клетка движется, то оба жгутика направлены вперёд или же один направлен вперёд, а второй — назад. На жгутиках имеются особые мастигонемы уникального строения, которые могут располагаться в два противолежащих ряда на длинном жгутике (длина мастигонем до 2 мкм), в один ряд на коротком жгутике или же на обоих жгутиках. Мастигонемы криптофит двухчастные и состоят из трубчатой части и тонкого терминального волоска. У некоторых представителей короткий жгутик не несёт мастигонем. У основания длинного жгутика может находиться дополнительный пучок, включающий около 45 волосков. Жгутики могут нести небольшие органические чешуйки в виде семиугольных розеток диаметром 140—170 нм. Известны формы с единственным перистым жгутиком.
Ультраструктура жгутика также имеет свои особенности. В переходной зоне жгутиков имеются две или более пластинчатые структуры (септы) ниже точки, где заканчиваются две центральные микротрубочки. Строение корешкового аппарата варьирует у представителей различных родов, но в общем случае корешковая система представлена ризостилем, который идёт в глубь клетки и состоит из 6—10 микротрубочек, соединённых сократительными фибриллами, трёх микротрубочковых корешков и фибриллярного корешка, прилегающего к одному из микротрубочковых.
Асимметричное расположение жгутиков вызывает несбалансированное вращение клетки вдоль продольной оси при плавании. Чем крупнее клетка и чем более изогнутую форму она имеет, тем более заметным становится такое «раскачивание».
Хлоропласты
В клетке криптофитовой водоросли имеется один или два хлоропласта (реже больше), окрашенных в разнообразные цвета: от сине-зелёного и оливково-зелёного до жёлто-бурого, коричневого и тёмно-красного. Хлоропласты могут быть глубоко разделены на две доли или иметь Н-образную форму. Имеются бесцветные формы с деградировавшими пластидами, они ведут гетеротрофный образ жизни.
Хлоропласты криптофит содержат следующие пигменты: хлорофилл а, хлорофилл c2 и фикобилины: фикоцианин и фикоэритрин (вместе эти пигменты никогда не встречаются, хлоропласт может содержать лишь один из них). За передачу энергии света от фикобилинов к хлорофиллу а отвечает хлорофилл c2, а аллофикоцианин, выполняющий эту функцию в клетках красных и синезелёных водорослей, отсутствует. Фикобилины криптофит расположены не в фикобилисомах, а во внутритилакоидных пространствах хлоропластов, поэтому тилакоиды криптофит толще, чем у других водорослей. Выявлено несколько типов фикоцианина и фикоэритрина, отличающихся различным положением максимумов поглощения света; так, в клетках содержится фикоэритрин 566, — фикоэритрин 555, — фикоэритрин 545; у клетки содержат фикоцианин 645, у — фикоцианин 630 (числа характеризуют длину волны в нанометрах, поглощение которой пигментом максимально).
У криптофит имеется несколько уникальных ксантофиллов, в частности аллоксантин, который можно использовать для их обнаружения в смеси планктонных водорослей, однако главным ксантофиллом является диатоксантин. Имеются также и β-каротин, крококсантин, зеаксантин и монадоксантин.
Соотношение пигментов видоспецифично. Кроме того, оно зависит от интенсивности освещения: чем меньше интенсивность освещения, тем больше фикоэритрина содержится в хлоропластах и тем толще тилакоиды.
Криптофиты характеризуются уникальным типом расположения тилакоидов в хлоропласте. Они собраны в пары или в тройки, причём соседние тилакоиды не имеют соединений. Опоясывающей ламеллы нет. ДНК хлоропласта представлена небольшими нуклеоидами, которые рассеяны в строме хлоропласта.
В хлоропласте может присутствовать пиреноид, в который могут заходить ламеллы из 1—2 тилакоидов. У видов с двудольными хлоропластами пиреноид располагается в месте соединения двух долей. В отличие от хлоропластов красных и зелёных водорослей, хлоропласты криптофит не лежат свободно в цитоплазме, а связаны с другими органеллами (пиреноидом, вакуолями).
Хлоропласт криптофитовой водоросли окружён 4 , наружная несёт на своей поверхности рибосомы и продолжается в эндоплазматический ретикулум (ЭПР) и ядерную мембрану. Происхождение хлоропластов криптофит рассматривают как пример вторичного эндосимбиоза, когда бесцветный фаготрофный жгутиконосец, сходный с современной криптофитовой водорослью , «съел» красную водоросль. Поэтому две внутренние мембраны хлоропласта криптофит интерпретируют как мембраны хлоропласта красной водоросли, третью мембрану — как плазмалемму клетки красной водоросли, а четвёртую мембрану — как мембрану пищеварительной вакуоли клетки-хозяина. Между двумя парами мембран расположено перипластидное пространство, в котором располагаются 80S рибосомы, содержащие рРНК эукариотического типа, зёрна крахмала, а также нуклеоморф — сильно редуцированное ядро красной водоросли. Происхождение хлоропластов криптофит от красных водорослей подтверждается анализом 16S рРНК нуклеоморфа и ядер красных водорослей. Две наружные мембраны иногда называют пластидным эндоплазматическим ретикулумом.
Процесс доставки в хлоропласты белков, кодируемых ядерной ДНК, у криптофит организован гораздо более сложно, чем у растений, чьи пластиды представляют собой результат первичного, а не вторичного эндосимбиоза. У криптофит и других организмов, чьи хлоропласты появились в результате вторичного эндосимбиоза, белки, кодируемые ядром, но предназначенные для пластид, содержат на N-конце лидерную последовательность, состоящую из сигнального пептида и переходного пептида. Два этих сигнала совместно обеспечивают прохождение белком всех четырёх мембран для доставки к месту своего функционирования. Было высказано предположение, что в переносе белков в перипластидное пространство принимает участие кодируемая нуклеоморфом ЭПР-связанная система деградации. Поскольку эндосимбионт утратил свой ЭПР, то эта система могла приобрести новую функцию в транспорте белков.
Нуклеоморф Как уже отмечалось выше, нуклеоморф представляет собой рудиментарное ядро эукариотического фототрофного эндосимбионта, инкорпорированного предками криптофитов в ходе вторичного эндосимбиоза (кроме криптофит, нуклеоморф также имеется у водорослей группы Chlorarachniophyta; однако в последнем случае происходила инкорпорация не красной, а зелёной водоросли). У криптофит нуклеоморф обычно имеет округлую или грушевидную форму; он окружён двойной мембраной, содержащей поры, сходные с ядерными поровыми комплексами, и имеет ядрышко с типичными эукариотическими РНК. Нуклеоморф может быть ассоциирован с пиреноидом; иногда он располагается внутри самого пиреноида, иногда — в выросте хлоропласта.
Размер ДНК нуклеоморфа составляет только 660 тыс. пар нуклеотидов в трёх хромосомах (240, 225 и 195 тыс. пар нуклеотидов). Таким образом, геном нуклеоморфа — мельчайший из описанных ядерных геномов эукариот. Интересно, что нуклеоморфы Chlorarachniophyta также имеют 3 хромосомы. У различных видов криптофит ДНК нуклеоморфа содержит от 450 до 850 тыс. пар нуклеотидов. Нуклеоморф имеет 531 ген, которые кодируют 30 белков, функционирующих в хлоропластах. Плотность генов в ДНК нуклеоморфов криптофит довольно высока. Гены нуклеоморфа в большинстве своём являются генами домашнего хозяйства, их продукты участвуют в таких процессах, как фолдинг и разрушение белков, транскрипция и трансляция. В 2001 году был секвенирован геном нуклеоморфа Guillardia theta, а в 2007 году — Hemiselmis anderseniiHoef-Emden K., Archibald J. M. .