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¿Cómo se clasifica a Elysia chlorotica como un animal capaz de realizar la fotosíntesis?

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Elysia chlorotica es una especie de babosa marina. Técnicamente, es un animal. Sin embargo, se somete a un proceso llamado cleptoplastia, que es la absorción de cloroplastos de las células de presa de algas que luego se utilizan para producir alimentos. E. chlorotica usa estos cloroplastos durante 9-12 meses a la vez y se las arregla para mantenerlos funcionando. Además, E. chlorotica ha absorbido algunos genes de algas, sin embargo, ninguno está relacionado con la fotosíntesis y ninguno se expresa.

Entonces, Elysia chlorotica es una babosa marina que es capaz de realizar la fotosíntesis, pero solo después de tomar cloroplastos de su presa.

Lo que me pregunto es cómo se clasifica algo como esto. Sé que E. chlorotica se encuentra actualmente en la lista de moluscos en el reino Animalia, pero ¿qué pasaría si absorbiera completamente el genoma de sus presas y pudiera sostener los cloroplastos por sí solo? ¿Se consideraría E. chlorotica una planta o un animal? ¿O algo mas? ¿Es eso siquiera posible?

Sé que esto es mucho, y tal vez este foro no sea el lugar adecuado para mis preguntas, ¡pero cualquier información sería muy apreciada!


Quizás esté familiarizado con la teoría endosimbiótica que hipotetiza dice que la mitocondria (y el cloroplasto) era un pequeño procrayote que fue absorbido por un organismo más grande. Al principio eran independientes en una relación endosimbiónica, pero en el proceso de evolución se fusionaron en un organismo del que todos los eucariotas (plantas). Así que sí, el proceso que describe es posible. Si sucede, el nuevo organismo ya no es E. chlorotica pero con otra que evolucionó a partir de ella, es probable que esta criatura todavía se clasifique como un animal, ya que hay plantas no fotosintéticas y no plantas fotosintéticas (algas, cianobacterias). Por lo tanto, la fotosíntesis no es la definición de una planta. El objetivo del árbol de la vida es dibujar el "árbol familiar" de todas las criaturas vivientes. Entonces, si sabemos que una criatura es un animal que dio lugar a otra con una habilidad especial, la clasificaremos como animal.


La clasificación filogenética, que ha llegado a ser ampliamente aceptada, clasifica a los organismos según su ascendencia. Existe evidencia de ascendencia común en varios niveles: molecular, celular, tejido / órgano y estructura del organismo completo. Es mediante la síntesis de información de todos estos que sacamos conclusiones de descendencia y, por lo tanto, de clasificación. Por tanto, no hay nada de malo en clasificar E. chlorotica como molusco: tiene este extraño fenómeno del cloroplasto, pero es un molusco genuino en otros aspectos (ver este artículo).

Pero, ¿y si, como dice tu pregunta, E. chlorotica Realmente integra genes de su presa en su propio genoma? (Por cierto, esto ya se ha informado). ¿Seguirá siendo un molusco? ¿O tendremos que colocarlo más cerca de Vaucheria, su alimento de algas?

Esto pone de relieve una limitación importante del concepto de "árbol de la vida": la incapacidad de tener en cuenta la transferencia horizontal de genes (TGH). Algunos biólogos han ideado otras formas de pensar sobre la historia evolutiva, como una "red de vida" o un "anillo de vida", para superar esto.


¿Es posible la fotosíntesis animal?

¿Qué sucede cuando inyectamos células de cloroplasto en el adn humano?

1 respuesta

Explicación:

Es un fenómeno fascinante: algunos animales son capaces de realizar la fotosíntesis. El primer y más conocido ejemplo es el babosa de mar con el nombre Elysia chlorotica.

E. chlorotica en realidad "roba" su capacidad fotosintética de las algas que come. Debido al sistema de digestión bastante simple de esta babosa, puede engullir (fagocitar) grandes partes de las algas que come. Los alimentos no se descomponen en trozos pequeños como en los humanos. De esta forma, los grandes cloroplastos responsables de la fotosíntesis son absorbidos y pueden ser utilizados por E. chlorotica.

En realidad, es un ejemplo de relación simbiótica entre una planta y un animal. La fotosíntesis no suele ser un proceso muy eficiente para los animales, porque es difícil generar suficiente energía para sus actividades. ¡La babosa marina mencionada dominó este proceso y es capaz de vivir hasta nueve meses solo con la fotosíntesis!

Otros animales con una relación tan simbiótica son los salamandra manchada ( Ambystoma maculatum) y el pulgón del guisante (Acyrthosiphon pisum).


Primer animal fotosintético conocido

& ltem & gtElysia chlorotica & lt / em & gt, una babosa marina que aparece aquí como una hoja gigante que nada, fue descubierta recientemente como el primer animal conocido en producir proteínas esenciales para la fotosíntesis, para lo cual robó los genes de las algas que come. Parece verde debido a la clorofila robada, que hace que las plantas se vuelvan verdes. Nicholas Curtis / Ray Martinez

La distinción entre plantas y animales siempre ha parecido bastante clara, pero recientemente la línea se ha desdibujado con el descubrimiento del primer animal que puede producir moléculas esenciales para la fotosíntesis. El periódico Simbiosis la semana pasada informó el asombroso hallazgo, fruto de los esfuerzos dirigidos por el profesor Sidney K. Pierce de la Universidad del Sur de Florida, que la babosa de mar Elysia chlorotica puede producir moléculas llamadas clorofilas.

E. chlorotica vive a lo largo de la costa este de los Estados Unidos y Canadá. Se sabe desde hace años que tiene una relación simbiótica con su alimento, el alga Vaucheria litorea. Se sabía que cuando E. chlorotica come algas integra partes de las células de las algas en sí mismo, cloroplastos que son necesarios para la fotosíntesis. Esto permite que la babosa obtenga energía de la luz solar, como lo hace el alga. No solo eso, sino que los cloroplastos robados son tan eficientes que E. chlorotica podría vivir hasta nueve meses sin comer nada y al mismo tiempo mantener sus tasas nutricionales normales, lo que la convierte en la relación simbiótica de más larga duración de su tipo.

Parte de esto se logra mediante células únicas que recubren el sistema digestivo de la babosa. En nuestras vías digestivas, los alimentos se descomponen muy finamente en pequeñas moléculas que son absorbidas por las células que recubren el intestino delgado. Pero E. chlorotica no descompone su alimento tan bien como nosotros las babosas tienen células epiteliales especiales que recubren las paredes de su sistema digestivo que absorben partes enteras de las células que comen en un proceso llamado fagocitosis (la célula intestinal forma una bolsa alrededor de las células digiere, envolviendo partes de la célula entera). Esto permite E. chlorotica para absorber los cloroplastos, que son estructuras grandes y complejas dentro de las células vegetales.

Estos cloroplastos son el sitio donde tiene lugar la fotosíntesis dentro de la célula vegetal. Las células contienen muchos tipos de compartimentos, llamados orgánulos, que cumplen diferentes funciones para garantizar que la maquinaria celular funcione correctamente. para nosotros).

Se cree que hace mucho tiempo los cloroplastos eran en realidad un tipo de bacteria que podía realizar la fotosíntesis, llamadas cianobacterias. Estas cianobacterias, que han existido durante miles de millones de años, fueron absorbidas por las plantas e integradas en sus células permanentemente como cianobacterias y las células vegetales desarrollaron una relación endosimbiótica permanente (el prefijo "endo-" significa "dentro").

Durante mucho tiempo ha desconcertado a los investigadores que E. chlorotica puede engullir los cloroplastos y, en consecuencia, realizar la fotosíntesis. ¿Por qué? Porque no es tan fácil "robar" una habilidad como la fotosíntesis de una planta, un hecho relacionado con la larga historia del cloroplasto con las plantas.

Aunque los precursores de los cloroplastos alguna vez vagaron libres como cianobacterias, los cloroplastos de hoy no son muy independientes. Cada cloroplasto aún conserva su propio genoma interno, pero este genoma está muy reducido. Los cloroplastos han llegado a depender del propio núcleo de la célula vegetal (que contiene todo el ADN de una célula). El núcleo de la célula contiene el ADN de más del 90% de las proteínas que los cloroplastos necesitan para funcionar. Además, las proteínas de la fotosíntesis se degradan rápidamente, lo que significa que la célula debe producir continuamente nuevas proteínas para que funcione la fotosíntesis. Por eso no es tan fácil usar cloroplastos robados para llevar a cabo la fotosíntesis durante mucho tiempo en una célula que no es vegetal: también se necesita mucho ADN del núcleo de la planta.

Pero la babosa de mar E. chlorotica encontré este problema y lo resolvió además de robar cloroplastos del alga V. litorea, estas babosas ladrones también robaron muchos genes de fotosíntesis de la propia alga. Pierce, que ha estado estudiando la babosa durante décadas, encabezó estudios para desentrañar los métodos únicos de la babosa marina. En 2001, el grupo de Pierce informó por primera vez que muchos genes utilizados en la fotosíntesis, que se encuentran en el núcleo de V. litorea, también están presentes en el ADN nuclear de E. chlorotica. .

Esta transferencia de genes entre dos organismos, donde uno no es descendiente de otro, se denomina transferencia horizontal de genes (HGT). La HGT es común entre las bacterias y, en realidad, es la forma en que las bacterias pueden ganar resistencia a ciertos antibióticos. Sin embargo, la HGT es muy rara en otros organismos. Pierce informó del primer descubrimiento de genes nucleares funcionales que se transfieren de un organismo multicelular a otro. El grupo de Pierce también descubrió que estos genes no solo son "tomados prestados" del alga, sino que son parte permanente de las babosas que estos genes pasan a la descendencia de las babosas.

Durante la última década, el grupo de Pierce ha estado buscando otros genes robados relacionados con la fotosíntesis que viven en el núcleo de la babosa. Si bien muchos organismos que se utilizan en los laboratorios de investigación hoy en día han secuenciado sus genomas y sus secuencias de ADN están disponibles para su estudio en bases de datos públicas, E. chlorotica no ha sido uno de estos afortunados. Aunque su investigación se vio obstaculizada por la falta de datos de ADN disponibles sobre las babosas, y aunque todavía es necesario secuenciar el genoma, los investigadores de Pierce han podido avanzar mucho. A medida que descubrieron más genes en el núcleo de la babosa, descubrieron más genes en común con el alga. V. litorea.

El último informe del grupo de Pierce muestra que las babosas tienen dentro de sus núcleos los genes de las algas para producir clorofila (específicamente clorofila a). La clorofila es una molécula de pigmento muy grande que es esencial para la fotosíntesis. Específicamente, su papel es al comienzo del proceso de fotosíntesis dentro del cloroplasto, absorbe la luz y transfiere la energía, como un electrón, que se utiliza para impulsar el resto del proceso fotosintético. Debido a las longitudes de onda específicas de la luz que absorbe la clorofila (azul y roja), las plantas (o babosas ladrones) con clorofila aparecen verdes (una longitud de onda que la clorofila absorbe mal). La fotosíntesis crea energía para la planta (en forma de trifosfato de adenosina o ATP) y el oxígeno que libera la planta.

Este hallazgo ayuda a explicar mejor por qué E. chlorotica solo necesita comer V. litorea al comienzo de su vida, pero pueden vivir sin volver a comerlas, las babosas necesitan cloroplastos para introducir clorofila, pero es posible que no necesiten ayuda de algas después de eso.

Sorprendentemente, varios parientes cercanos de E. chlorotica también puede capturar cloroplastos y realizar la fotosíntesis. E. chlorotica Pertenece a un grupo de gasterópodos llamados Sacoglossa ("babosas de mar chupadores de savia"), que incluye algunos caracoles de mar y babosas de mar. Ellos también pueden, como E. chlorotica, captan cloroplastos completos en células epiteliales especializadas que recubren sus intestinos. Los animales solo necesitan luz directa y dióxido de carbono y tienen la capacidad de vivir de manera saludable durante meses, a menudo obteniendo la mayor parte de su energía de la fotosíntesis.

Sin embargo, la mayoría de estas otras babosas marinas alimentadas por energía solar tienen relaciones relativamente cortas con los cloroplastos robados. E. chlorotica puede pasar más tiempo sin comer algas que cualquier otro conocido. Queda por ver cuántas especies y en qué medida han incorporado genes vegetales relacionados con la fotosíntesis en su propio arsenal genético.

Estos procesos que ocurren en las babosas marinas resaltan la rica biodiversidad de los océanos del mundo. Varios laboratorios de la Universidad de California, Santa Bárbara, estudian organismos marinos inusuales tanto a nivel molecular como de organismo completo. A través de una mejor comprensión de estos animales únicos, podemos obtener una mejor comprensión no solo de cómo funcionan, sino en qué se parecen a nosotros, cómo se convirtieron en lo que son y cómo podemos aplicar nuestro conocimiento sobre ellos a nosotros mismos y a las tecnologías.

Entonces, aunque los carros de babosas marinas alimentados por energía solar pueden no estar en el horizonte, el conocimiento de que la fotosíntesis es posible en algunos animales significa que podría ser posible utilizar esta vía de generación de energía verdaderamente "verde" en otros animales.


¿Cómo se clasifica a Elysia chlorotica como un animal capaz de realizar la fotosíntesis? - biología

Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad Estatal de California, Fullerton

800 N. State College Blvd, Fullerton, CA 92835

Los animales como las esponjas marinas, los corales y las babosas marinas han desarrollado mecanismos para obtener los subproductos de la fotosíntesis a través de una relación simbiótica con las algas que contienen cloroplasto. Sin embargo, las babosas marinas, en particular los sacoglosanos, son de particular interés debido a su capacidad para secuestrar y mantener cloroplastos funcionales (cleptoplastos). Algunas especies de sacoglossan, como Elysia chlorotica son capaces de mantener cleptoplastos funcionales durante períodos de diez meses o más. El mecanismo biológico exacto para permitir este fenómeno ha sido objeto de mucho debate e investigaciones recientes, sin embargo, muchos estudios sugieren que se está produciendo una transferencia horizontal de genes. El beneficio directo de una relación simbiótica con las algas fotosintéticas también ha sido un foco de estudio y controversia, con algunas investigaciones que se inclinan hacia un mayor crecimiento como resultado directo de la ingestión de cloroplastos funcionales, mientras que otros estudios ofrecen resultados contradictorios.

Introducción

La curiosidad de la humanidad por la naturaleza autótrofa de las plantas se documentó por primera vez hace más de dos milenios con el filósofo y científico griego Aristóteles. A través de la observación, concluyó que las plantas están ancladas al suelo de la tierra porque carecen del sistema digestivo tradicional que se ve en los humanos y otros animales. Se razonó que el suelo actúa como estómago, proporcionando agua y nutrientes atmosféricos esenciales para la supervivencia (Gotthelf, 2013, p. 169). Aunque esta visión es demasiado simplista e incompleta, la premisa básica no está lejos de la verdad. Las plantas requieren agua del suelo y dióxido de carbono atmosférico (obtenido a través de los estomas), pero no como una fuente de alimento directa como se planteó originalmente. En cambio, las plantas requieren agua y dióxido de carbono porque son componentes esenciales del proceso fotosintético (Maurino y Weber, 2013).

La fotosíntesis es la conversión de energía luminosa en energía química utilizable para alimentar procesos biológicos. Es el mecanismo que permite que las plantas se alimenten por sí mismas y se considera una cualidad definitoria que separa los reinos vegetal y animal. Sin embargo, pasaron casi dos mil años desde las primeras observaciones de Aristóteles sobre la autotrofia de las plantas para que se descubriera la fotosíntesis. En 1771, Joseph Priestley publicó el primer trabajo para demostrar que los gases liberados por las plantas (oxígeno) son diferentes a los gases exhalados por los animales (dióxido de carbono). Describió este proceso como un "método para restaurar el aire que ha sido dañado por la quema de velas". (Bogorad, 1981). Luego, en 1888, Gottlieb Haberlandt, un botánico austríaco, determinó que el cloroplasto (plástido), un orgánulo verde que se encuentra en las células vegetales, está directamente asociado con la producción de oxígeno en las plantas (Bogorad, 1981).

Un estudio adicional realizado a finales del siglo XIX por el botánico Andreas Schimper condujo a dos descubrimientos clave: el primero fue que los cloroplastos son capaces de reproducirse independientemente del resto de la célula, y lo hacen de una manera que recuerda a la fisión procariota. La segunda fue que el cloroplasto se parecía mucho a las cianobacterias de vida libre (Vargas-Parada, 2010). En 1905, el botánico ruso Konstantin Mereschkowsky amplió aún más estos descubrimientos al proponer que los cloroplastos se originaron a partir de cianobacterias simbióticas (O’Malley 2015).

La teoría de Mereschkowsky, ahora conocida como teoría endosimbiótica, evolucionó desde sus inicios a principios del siglo XX. Ahora se acepta que hace más de mil millones de años, ocurrió un solo evento endosimbiótico en el que una célula eucariota engulló, pero no digirió, una cianobacteria fotosintética (Shih et al, 2013). La cianobacteria se incorporó permanentemente a la célula como un orgánulo unido a doble membrana para convertirse en el cloroplasto que vemos en las plantas y las algas hoy en día (Okazaki et al. 2010, Precio et al., 2012). La endosimbiosis entre la célula eucariota y la cianobacteria resultó ser un evento histórico en la historia evolutiva. El orgánulo recién adquirido confería una gran ventaja al eucariota: la capacidad de obtener alimentos de forma autótrofa a través de la luz solar (Nakayama et al., 2014). Se asumió que esta capacidad estaba reservada solo para plantas y algas hasta que el trabajo de Parke y Manton en 1967 encontró que algunos turbellarios marinos, como Tetraselmis formar una simbiosis con algas fotosintéticas (Venn et al., 2008).

El descubrimiento de Parke y Manton fue el primero de muchos que revelaron una multitud de simbiosis fotosintéticas en animales, aunque la mayoría de los hospedadores animales se encuentran dentro de dos filos, Porifera y Cnidaria (Venn et. Alabama., 2008). Sin embargo, estudios recientes han descubierto animales que pertenecen a una gama más amplia de grupos taxonómicos que están en una relación endosimbiótica con un organismo fotosintético. Estos animales incluyen la salamandra manchada (Graham et. Alabama, 2012), el avispón oriental (Plotkin et al., 2010), y el molusco sacoglossan, conocido comúnmente como babosa marina. Esta revisión, sin embargo, solo se enfocará en el molusco sacogloso discutiendo primero cómo estas babosas marinas, especialmente Elysia chlorotica, obtener y mantener cloroplastos. Luego habrá una discusión sobre los posibles beneficios obtenidos por los sacoglosanos por tener simbiosis con un compañero de algas.

Obtención del cloroplasto

Muchos animales han desarrollado mecanismos para obtener los subproductos de la fotosíntesis a través de una relación simbiótica con algas que contienen cloroplasto (Rumpho et al. 2010). La mayoría de los huéspedes mantienen su simbionte de algas dentro de una membrana simbiosomal (por ejemplo, cnidarios) o en una región específica del cuerpo (por ejemplo, tentáculos de anémona de mar) (Venn et al., 2008). Tener una relación endosimbiótica permite que un animal que no contiene cloroplasto utilice el cloroplasto de su presa para obtener los beneficios nutricionales. El problema con esta relación, sin embargo, es que el animal no puede sintetizar cloroplastos por sí mismo, y una vez que el simbionte sale del cuerpo, el animal huésped ya no puede realizar la fotosíntesis. Los sacoglosanos, por otro lado, son una excepción extraordinaria. Estas babosas de mar, particularmente las del género Elysia, tienen la capacidad de mantener los plástidos funcionales de su simbionte de algas reteniendo el orgánulo intracelularmente. Este proceso, conocido como cleptoplastia, se ha descubierto en más de 150 especies de babosas marinas y es exclusivo de los sacoglossans (Christa et al., 2013).

La cleptoplastia es una forma de fagocitosis exclusiva de los sacoglosos (Cruz et al. 2013) donde el huésped ingiere, secuestra y utiliza cloroplastos de algas (Rumpho et al., 2011, Schwartz et al, 2014). Los cloroplastos ingeridos, o cleptoplastos, pueden mantener la actividad fotosintética dentro de la célula huésped durante un tiempo que varía de horas a meses, dependiendo de la especie (Handeler et al., 2009, Pelletreau et al., 2014), y actúa como fuente de energía para la babosa. Dado que los sacoglosanos no heredan ni renuevan los cloroplastos, a diferencia de su simbionte de algas, la capacidad de mantener el orgánulo adquirido es primordial para retener las capacidades fotosintéticas.

Mantener el cloroplasto y el debate sobre la transferencia horizontal de genes

Los sacoglosanos que mantienen una relación fotosimbiótica se agrupan en tres categorías en función de la duración durante la cual pueden retener un plastidio fotosintéticamente activo: especies de retención a largo plazo, especies de retención a corto plazo y especies de no retención. Con base en una encuesta de cleptoplastia realizada en 29 especies de sacoglossan, se concluyó que la mayoría de las babosas caen dentro de la categoría de no retención o retención a corto plazo (Handeler et al., 2009). En este estudio, la modulación de amplitud de pulso midió la actividad del fotosistema II de las babosas marinas durante un período de 75 días para determinar cuánto tiempo los plástidos permanecieron fotosintéticamente activos. De las 29 especies probadas, 14 exhibieron una pérdida de la capacidad fotosintética de inmediato y se consideraron especies sin retención, 12 se consideraron especies de retención a corto plazo debido a una pérdida después de dos semanas y tres se consideraron especies de retención a largo plazo por su capacidad. para mantener su capacidad fotosintética durante más de cuatro semanas. Elysia chlorotica, Elysia timida y Elysia clarki Todos fueron citados por su capacidad para retener plástidos funcionales durante un mes o más durante un período de inanición.

Aunque múltiples especies que se han destacado por su capacidad para retener plástidos fotosintéticos durante un período de tiempo de más de un mes, la mayor parte de la información sobre los diversos mecanismos para la retención de cloroplasto a largo plazo proviene de estudios sobre E. chlorotica. Se sabe que este molusco sacogloso, que se encuentra principalmente en regiones pantanosas a lo largo de la costa este de América del Norte, participa en la endosimbiosis fotosintética con los cloroplastos obtenidos a través del consumo de sus presas de algas. V. litorea. Esta relación simbiótica se define por la capacidad de madurar E. chlorotica para alterar su metabolismo de un estado de heterotrofismo a fotoautotrofismo (Devine et al., 2012).

E. Chlorotica es de particular interés debido a su capacidad para retener plástidos funcionales durante períodos superiores a diez meses durante la inanición (Christa et al, 2013 Schwartz et al, 2014, 2010 de Vries et al, Pelletreau 2009 et al, 2012). Cómo E. chlorotica es capaz de una retención de plástidos a largo plazo ha sido el foco de mucho debate e investigación en los últimos años. Una explicación común es la transferencia horizontal de genes, que se produce cuando los genes de un organismo se transfieren a otro por medios distintos de la reproducción. Muchos investigadores tienden a favorecer esta explicación porque los sacoglosanos no secuestran los núcleos de las algas, sino que requieren la importación de proteínas para mantener los plástidos fotosintéticamente activos. La transferencia horizontal de genes puede ser responsable de proporcionar los genes esenciales necesarios para el mantenimiento de los plástidos y, por lo tanto, ha sido el foco de una extensa investigación (Christa et al., 2013).

Schwartz et al. (2010), razonó que la extrema longevidad de los ingeridos V. litorea cloroplasto dentro E. chlorotica debe deberse a que una parte del genoma de las algas se transfiere a la célula huésped. Para probar esta hipótesis, el ADNc y el ADN genómico de V. litorea y E. chlorotica se amplificó mediante PCR, se secuenció y se analizó. Se determinó que tres genes codificados dentro del núcleo de V. litorea, fcp, un gen que codifica una proteína de unión a clorofila, Lhcv1 y Lhcv2, genes que codifican proteínas complejas recolectoras de luz, también se encuentran en el De E.chlorotica ADN genómico. Estos hallazgos indican una integración de los genes necesarios para la fotosíntesis en el genoma de la babosa al ser transcritos activamente por su maquinaria celular, que puede ser la clave para mantener los plástidos funcionales a largo plazo.

Wagele et. Alabama'Los hallazgos de s (2011) parecen contradecir la conclusión de Schwartz de que la transferencia horizontal de genes ocurre en E.chlorotica. Este estudio secuenció las etiquetas de secuencia expresadas de E. chlorotica, y busqué transcripciones de PsbO, entre muchas otras V.litorea-genes nucleares derivados. Sin transcripciones de PsbO o cualquier otro V.litorea Se encontraron genes y, por lo tanto, se concluyó que no se está produciendo una transferencia horizontal de genes entre los dos.

Criticando el estudio de Wagele por usar un tamaño de muestra demasiado pequeño para recolectar muestras de ARNm y por una posible interpretación incorrecta de los resultados negativos, que pueden haber surgido de datos problemáticos, Pierce et al (2012), realizó un estudio de seguimiento. En este estudio, se extrajo ADN genómico de V.litorea para crear un conjunto de transcriptomas para su análisis. A continuación, el ARN total de ambos V. litorea fue extraído, y su genoma secuenciado. Lo mismo se repitió para E.chlorotica. Se determinó que existen, aunque raras, algunas transcripciones dentro del transcriptoma de E. chlorotica, que se originó en el transcriptoma de V. litorea. Curiosamente, los autores descubrieron que estas transcripciones están codificadas por cloroplasto y origen codificado nuclear. Esto sugiere que el genoma del cloroplasto es transcripcionalmente activo dentro de De E.chlorotica células y produce transcripciones para codificar muchas proteínas de cloroplasto. En particular, hubo segmentos de De E.chlorotica transcriptoma que codifica las proteínas D1, D2 y CP43, que son componentes de los centros de reacción PSII y PSI. En total, el estudio determinó que se encontraron 101 secuencias de genes codificadas por cloroplasto en E. chlorotica que vino de su socio simbiótico, V.litorea. A partir de estos hallazgos, los autores concluyeron que E. chlorotica es capaz de mantener cloroplastos funcionales dentro de sus células durante períodos de tiempo tan prolongados debido a la transferencia horizontal de genes.

Esta conclusión puede parecer incorrecta para algunos investigadores. Por ejemplo, Pierce et al. secuenciado alrededor de 100 millones E. chlorotica transcripciones, y encontraron solo 101 que podrían implicar una transferencia horizontal de genes. Además, de estos 101, solo se descubrieron unos pocos segmentos que se sabe que codifican proteínas que tienen funciones fotosintéticas. La fotosíntesis es un proceso complejo que requiere la expresión de miles de genes, por lo que es razonable cuestionar la validez de la investigación que solo encontró trazas de apoyo de la transferencia horizontal de genes en un conjunto de varios millones de transcripciones. Es especialmente sospechoso que no se detectaron transcripciones para RuBisCO y el complejo de recolección de luz (LHC). Especialmente si se considera que estos dos juntos constituyen aproximadamente el 20% del total de transcripciones de Arabidopsis hojas, y juegan un papel central en la fotosíntesis en general (Christa et al., 2013).

Bhattacharya et al. (2013) el estudio estuvo motivado por los aparentemente cuestionables resultados de Pierce y por el escepticismo hacia la hipótesis de la transferencia horizontal de genes en general. Para abordar los problemas de estudios anteriores, los investigadores adoptaron un enfoque diferente al examinar E. chlorotica ADN de huevo y buscando transcripciones derivadas de algas dentro del genoma. El autor de este estudio argumentó que la presencia de transcripciones (que tenían menos de 90 pb de longitud) en las células del huésped no es una evidencia lo suficientemente fuerte para apoyar la conclusión de que se está produciendo la integración de genes de algas en el genoma del huésped. También se argumentó que el uso de E. chlorotica El ADN del huevo en particular es una mejor muestra para estudiar dado que este ADN no entra en contacto con la presa de algas. Como los estudios anteriores (Pierce et al., 2012 Wagele et al., 2011 Schwartz et al., 2010), Bhattacharya secuenció el V.littorea y E. chlorotica genomas y utilizó la PCR para analizar el ADN genómico y el ADNc, pero este estudio también utilizó la herramienta de búsqueda de alineación local básica (BLAST) para encontrar regiones de similitud. Los resultados del análisis BLAST no encontraron regiones de alineación que fueran mayores de 46 nucleótidos, lo que indica una ausencia de genes derivados de algas dentro de los genomas del huevo. Para explicar la diferencia entre estos hallazgos y los de Pierce (2012) y Schwartz (2010), Bhattacharya argumentó que estos estudios anteriores, cuyos hallazgos apoyan la transferencia horizontal de genes, pueden haber estado tratando con ADN y ADNc de algas contaminadas.

Un punto importante a considerar es Bhattacharya et al. (2013) cedió que aunque sus resultados mostraron una ausencia de secuencias de algas, estos datos por sí solos no son suficientes para demostrar que los genes de algas están completamente ausentes dentro de E. chlorotica genoma. Se propuso que debía haberse producido un mecanismo distinto de la transferencia horizontal de genes para permitir la retención de cloroplasto a largo plazo. Una posibilidad sugerida fue que E. chlorotica capta fragmentos de ADN extracromosómico a través del contacto con V. litorea, y que esto explicaría los genes nucleares de las algas que se encuentran dentro de la babosa adulta. Esto también explicaría por qué estos genes están ausentes en el ADN del huevo, que no entra en contacto con las algas.

Schwartz et al. (2014) criticó la hipótesis del ADN extracromosómico de Bhattacharya con el argumento de que estudios anteriores han encontrado secuencias de algas en el ADN de las larvas. Para abordar este problema y abordar el problema potencial de un análisis genómico inadecuado, la fluorescencia en el lugar hibridación (FISH) se utilizó para examinar los cromosomas de E. chlorotica larvas (no expuestas a las algas) por la presencia de secuencias de genes de algas. El fundamento del uso de FISH es que un gen específico de V. litorea se puede elegir para una sonda. Específicamente, este estudio eligió prk, un gen nuclear que codifica la fosforibuloquinasa, una enzima del ciclo de Calvin sin homólogo conocido en animales no fotosintéticos. Sus resultados encontraron que el prk sonda fue capaz de unirse a algunos de E. chlorotica cromosomas, lo que indica una transferencia e incorporación de genes de algas en los cromosomas de la babosa.

Aunque solo se mencionaron algunos estudios aquí en esta revisión, hay muchos otros que apoyan o refutan la transferencia e incorporación horizontal de genes como De E.chlorotica método de mantenimiento de un cloroplasto funcional. Se necesita más investigación antes de poder sacar una conclusión válida con respecto al mantenimiento de plastidios a largo plazo en E.chlorotica.

Lo que también sigue siendo una incertidumbre es el beneficio para el huésped animal por tener plastidios funcionales dentro de sus células. Como se explorará en la siguiente sección, el beneficio de mantener los cloroplastos tampoco está claro en gran medida.

Los cuestionables beneficios de una relación simbiótica

Las babosas marinas Sacoglossan recibieron los apodos de "hojas que se arrastran" y "hojas alimentadas por energía solar" en la década de 1970, cuando los investigadores se dieron cuenta por primera vez de su naturaleza cleptoplástica. Especies de retención a largo plazo, específicamente Elysia chlorotica, Elysia timida, Elysia crispate y Plakobranchus ocellatus, fueron de particular interés por su capacidad para retener plástidos ingeridos durante seis meses o más (Christa et al., 2014). Durante este tiempo, se creía que el secuestro de plástidos era la clave para sobrevivir a una inanición prolongada. Sin embargo, estudios recientes ahora desafían esta visión de larga data y cuestionan el papel real de los cleptoplastos en las babosas marinas sacoglosas.

A primera vista, los beneficios de una relación simbiótica con las algas pueden parecer obvios y no necesitan más investigación. Los investigadores de la década de 1970 asumieron que secuestrar plastidios significaba que las babosas podían sobrevivir al hambre utilizando los cloroplastos adquiridos para realizar la fotosíntesis. Sin embargo, una característica de las babosas portadoras de plastidios hambrientas es que disminuyen de tamaño cuanto más tiempo pasan hambrientas. Las babosas hambrientas también pierden gradualmente su color verde y se vuelven de un rosa pálido a medida que avanza el período de inanición. Estas observaciones cuestionan el papel de la luz, la fotosíntesis y el plastidio en la supervivencia de las babosas marinas (Christa et al., 2013).

Christa et al. (2013) investigó la supervivencia a largo plazo de los hambrientos E. timida y P. ocellatus en condiciones de luz frente a oscuridad. The first portion of the experiment examined the ability of both species to fix CO2 in the presence and absence of light. CO2 fixation was observed in both species when in the presence of light, and occurred in a light-dependent manner. It was also found that CO2 fixation is non-existent in dark conditions. CO2 fixation is a hallmark of photosynthesis, but not necessarily indicative that the sea slugs are in fact photosynthetic. Therefore, the researchers blocked photosynthesis either by using monolinuron and culturing starved slugs in light, or keeping starved slugs in dark conditions. PAM analysis measured photosynthetic activity over a period of 88 days and found that specimens in light conditions showed the greatest decline in photosynthetic activity, but specimens kept in the dark showed a similar decline. The monolinuron slugs also exhibited a similar survival rate to control slugs. Additionally, control, monolinuron-exposed (in light) and slugs kept in the dark all showed a similar degree of weight loss by the end of the experiment. From these findings the authors concluded that light, and photosynthesis as a primary carbon source might not be essential for sea slug survival.

Christa’s findings certainly question sacoglossan’s title of “solar-powered” slug, but this study is worth challenging primarily due to statistical shortcomings that may have skewed the results. The first issue being a small sample size for both E.timida (n=4) and P.ocellatus (n=2) for each of the experiments, and the second being that the sample size for each experiment was not controlled (larger number of specimens for light conditions compared to those in dark conditions). Yamamoto et al. (2013) also examined the survivability of starved P.ocellatus under light and dark conditions. Contradicting Christa, Yamamoto found that P. ocellatus survivability and relative weight was higher when placed in light conditions, compared to dark conditions. The conflicting results of both research teams necessitate further study to determine the benefit, if any, of photosynthesis in sacoglossans.

One important factor that many studies overlook is that kleptoplasts often degrade in high light conditions, and are incapable of being replenished in starved specimens (Baumgartner et al., 2015, Jesus et al., 2010). The destruction of kleptoplasts during experimental protocol, followed by a failure to replenish them in starved individuals may be the reason why benefits to a symbiotic relationship have yet to be measured. Pelletreau et al. (2012) also noted in their work on E.chlorotica that plastids are not automatically stable within the host following ingestion, but rather “permanent kleptoplasty” is only obtained after feeding on their algal food source for a period of seven days or more.

Baumgartner (2015) took these considerations into account, and investigated the fitness benefits of photosynthetically active kleptoplasts in E.viridis. This particular species of sacoglossan has been found in prior studies to survive, but lose weight when starved and in light conditions. The ability to survive without food has been attributed to kleptoplasty retention, however, no physiological benefits, such as weight gain, due to photosynthesis by functional kleptoplasts have been found. This study fed E.viridis specimens one of two types of algae: Codium fragile, whose kleptoplasts are considered highly functional, or Cladophora rupestris, whose kleptoplasts are of low functionality. In doing so, the authors were determined to avoid the potential artifacts that may have arisen in previous studies due to starvation. Also, to circumvent the potential issue of kleptoplast destruction by irradiation, this study kept E.viridis under natural light conditions, alternating between high and low levels, over a period of four weeks. Those that fed on a diet of C. fragile saw a two-fold increase in growth efficiency in high light compared to low light, while those that fed on C. rupestris saw no difference in growth in either light conditions. Relative electron transport rates, a measure of photosynthetic efficiency, was higher for C.fragile- fed slugs kept in high light conditions compared to C.rupestris- fed slugs in the same light environment. Throughout this study, the researchers also measured consumption rates between the slugs in different light treatments to rule out any possibility that changes in growth may be due to differences in consumption. It was found that the consumption rates were similar enough to conclude that the measured increased growth efficiency of E.viridis was due to the retention of functional kleptoplasts

Akimoto et al. 2014 also studied the role of light and food on the growth of sacoglossans E.trisinuata y E.atroviridis. Similar to what was found in Baumgartner’s study, Akimoto’s results found that when fed and in light conditions, E.trisinuata exhibited significant increases in growth. However, the same was not observed in E.atroviridis. These findings indicate that E.trinsuata can acquire additional energy to sustain growth through photosynthesis when kleptoplasts are supplied through food. However, these findings also indicate that this is not true for all species. What remains to be determined is why some species, such as E. atroviridis saw no increase in growth despite being on the same diet that permitted growth in E. trinsuata. Further research is therefore needed to determine the function of kleptoplasts in endosymbiosis with sacoglossans, especially those species that do not exhibit an increase in growth or otherwise apparent indication of improved physiological fitness.

Concluding Remarks

Our earth is both a beautiful and cruel place. The endless diversity among our planets inhabitants, the result of millions of years of evolution, makes each species a fascinating specimen to study. However, the traits that we find so intriguing are the physical manifestations of the most basic need of every living being: the need to survive. This most primal requirement has contributed to the planet’s seemingly infinite range of biological diversity. Symbiosis is of particular fascination because this phenomenon involves two organisms sharing their need for survival, and exploiting each other’s biological advantages to live another day. Sacoglossan sea slugs utilize the plastids obtained through consumption of their algal prey, and in doing so provide a fascinating opportunity for research into how the genetic and biochemical material from a photosynthetic organism can be transferred to a non-photosynthetic animal to give it photosynthetic functionality. Although there are disagreements as to how plastids are maintained, and their direct benefit to the animal, this only supports further research into understanding this truly unique symbiotic relationship.

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Sea Slug Turns Plant-Like, Survives Solely On Photosynthesis

The sea slug, Elysia chlorotica, can transform into plant like and survive just on photosynthesis. The undertaking is highly unusual for an animal but the mollusk somehow manages to steal millions of green-colored plastids, which are like tiny solar panels, from the non-toxic brown alga, store them in their gut lining, and become photosynthetic, or solar-powered.

“It’s a remarkable feat because it’s highly unusual for an animal to behave like a plant and survive solely on photosynthesis,” said Debashish Bhattacharya, senior author of the study in a news release.

“The broader implication is in the field of artificial photosynthesis. That is, if we can figure out how the slug maintains stolen, isolated plastids to fix carbon without the plant nucleus, then maybe we can also harness isolated plastids for eternity as green machines to create bioproducts or energy. The existing paradigm is that to make green energy, we need the plant or alga to run the photosynthetic organelle, but the slug shows us that this does not have to be the case.”

The brown alga, Vaucheria litore, is an ideal food source for the sea slug. The lack of walls between adjoining cells in its body make it easy for the slug to destroy its outer cell wall and channel through its interior and suck out the cell contents and gather all of the algal nuclei and plastids at once. Some scientists argue that Elysia chlorotica steal and store plastids as food to be used later, much like camels store fat in their humps. But the findings showed that’s not the case.

“It has this remarkable ability to steal these algal plastids, stop feeding and survive off the photosynthesis from the algae for the next six to eight months,” Bhattacharya said.

The team had the slug’s RNA sequenced (gene expression) and tested their solar energy supply hypothesis. The data showed the slug reacted to protect the stolen plastids from digestion and turned on animal genes to “utilize the algal photosynthetic products.”

It is also found that while Elysia chlorotica stores plastids, the algal nuclei that are also sucked in do not survive. The team is yet to find out how the slug maintains the plastids and photosynthesis for months in absence of the nuclei, which are required to control their function.

The study has been published in the journal Molecular Biology and Evolution.


Semi-autonomy of plastids and the need for the nucleus

Endosymbiosis and the associated gene transfer that followed rendered extant plastid genomes greatly reduced in size (37–224 kb), encoding between 61 and 273 proteins (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/GenomesGroup.cgi?taxid=2759&opt=plastid) compared with the cyanobacterial progenitors [1.6–9.0 Mb in free-living taxa, encoding 1717 to 7672 proteins (Meeks et al., 2001 Rocap et al., 2003)]. These semi-autonomous organelles encode a small percentage of the predicted 1000 to 5000 proteins required to sustain the full metabolic capacity of the plastid (Martin et al., 2002 Richly and Leister, 2004 Bock and Timmis, 2008). This is also true for the 115-kb V. litorea plastid genome, which we recently sequenced, demonstrating that it contains only 139 protein-encoding genes (Rumpho et al., 2008). If we consider solely photosynthesis, the V. litorea plastid genome does not encode all of the components for any of the four multi-subunit complexes of the photosynthetic electron transport chain [photosystems I and II (PSI and PSII, respectively), the cytochrome B6/F complex and ATP synthase] or the reductive pentose phosphate pathway (RPPP, or the Calvin–Benson cycle) (reviewed in Raghavendra, 1998 Nelson and Yocum, 2006). Some of the essential missing genes in the thylakoid-localized electron transport chain include: the PSI and PSII light-harvesting complex pigment/protein genes (vcp en V. litorea), the PSII Mn-stabilizing protein of the oxygen evolution complex (MSP, encoded by psbO), the Reiske Fe-S protein of the cytochrome B6/F complex and atpC, which encodes the critical redox-regulated γ subunit of ATP synthase (see Fig. 5 schematic).

Life cycle of Elysia chlorotica. After 4 days, veliger larvae hatch from egg ribbons and live planktonically for 3 weeks until competent for metamorphosis. Upon detection of the algal prey Vaucheria litorea, mature veligers settle out of the water onto the algal filaments and metamorphose into juvenile sea slugs. Feeding occurs immediately and plastids are observed inside the animal within 24 h of settlement and metamorphosis. After continual feeding of 5 to 7 days, the association becomes permanent and the plastids are stable within the animal. Additional feeding leads to growth of the juvenile to the adult stage and further incorporation of plastids into the animal tissues. Adults live for ∼10 months in the wild, senescing often after mating in the spring.

Life cycle of Elysia chlorotica. After 4 days, veliger larvae hatch from egg ribbons and live planktonically for 3 weeks until competent for metamorphosis. Upon detection of the algal prey Vaucheria litorea, mature veligers settle out of the water onto the algal filaments and metamorphose into juvenile sea slugs. Feeding occurs immediately and plastids are observed inside the animal within 24 h of settlement and metamorphosis. After continual feeding of 5 to 7 days, the association becomes permanent and the plastids are stable within the animal. Additional feeding leads to growth of the juvenile to the adult stage and further incorporation of plastids into the animal tissues. Adults live for ∼10 months in the wild, senescing often after mating in the spring.

Only one enzyme of the RPPP is plastid encoded, the essential carboxylating enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) (Fig. 5). Unlike plants and green algae, both the large (rbcL) and small (rbcS) subunits are plastid-encoded in V. litorea (Rumpho et al., 2008). The other ten enzymes of the cycle are nuclear-encoded, and all but phosphoribulokinase (prk) and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (sbp) are also encoded by the nuclear genome of animals for glycolysis and/or the oxidative pentose phosphate pathway [see Rumpho et al. (Rumpho et al., 2008) for a complete listing of plastid-encoded genes in V. litorea]. As a result, it is possible that the animal could provide substitute proteins for the majority of the nuclear-encoded RPPP enzymes if they were properly targeted to the foreign plastids. The remaining two RPPP enzymes, PRK and SBP, as well as the nuclear-encoded electron transport proteins discussed above, are excellent targets for the study of HGT.

Schematic of the light and dark reactions of photosynthesis showing plastid- vs nuclear-encoded genes. (A) Adult, kleptoplastic Elysia chlorotica. (B) Transmission electron micrograph showing numerous algal plastids within a cell lining the digestive diverticuli of the sea slug. (C,D) Schematic of the two photosynthetic processes overlaid on a plastid illustrating the essential proteins required in each pathway. Nuclear-encoded plastid proteins are shaded blue for both the electron transfer chain (C) and the Calvin–Bensen cycle (D). In the latter, RuBisCO is shaded green to indicate a plastid-encoded protein. Two of the enzymes, phosphoribulokinase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase, are shaded dark blue to indicate that, although they are nuclear-encoded like the light-blue-shaded enzymes, these enzymes are unique to phototrophs and are not typically found in an animal, whereas the light-blue-shaded enzymes all have homologs in animal metabolism.

Schematic of the light and dark reactions of photosynthesis showing plastid- vs nuclear-encoded genes. (A) Adult, kleptoplastic Elysia chlorotica. (B) Transmission electron micrograph showing numerous algal plastids within a cell lining the digestive diverticuli of the sea slug. (C,D) Schematic of the two photosynthetic processes overlaid on a plastid illustrating the essential proteins required in each pathway. Nuclear-encoded plastid proteins are shaded blue for both the electron transfer chain (C) and the Calvin–Bensen cycle (D). In the latter, RuBisCO is shaded green to indicate a plastid-encoded protein. Two of the enzymes, phosphoribulokinase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase, are shaded dark blue to indicate that, although they are nuclear-encoded like the light-blue-shaded enzymes, these enzymes are unique to phototrophs and are not typically found in an animal, whereas the light-blue-shaded enzymes all have homologs in animal metabolism.

Plastids are highly evolved to absorb the intense energy of sunlight and fuel photosynthetic carbon reduction and, as a result, plastid proteins are subject to constant photo-oxidative damage by reactive oxygen species (Aro et al., 1993 Aro et al., 2005). To maintain homeostasis and uninterrupted function of the plastid, these damaged proteins must be removed [presumably by proteases (Adam and Clarke, 2002)] and/or repaired (frequently involving chaperones) (Sakamoto, 2006) the entire process requires extensive nucleo-cytosolic communication as well as de novo synthesis of plastid- and nuclear-encoded plastid proteins (Biehl et al., 2005). The consequences of severing the plastid–algal nucleo-cytosolic communication network in the sea slug cells are unknown, but one would expect it minimally to result in uncoordinated plastid activity and, more likely, to the rapid demise of the organelles. What is so remarkable in this case is that the original acquired plastids sustain the starved animals for their entire lifespan (at least 10 months in nature or in the laboratory) through photoautotrophy, despite the absence of any detectable algal nucleo-cytosol in the sea slug (reviewed in Rumpho et al., 2006) this is both impressive and intriguing. We have been working under the hypothesis that the sea slug provides at least some of the essential nuclear-encoded plastid-proteins as a result of HGT from the algal nucleus to the sea slug as discussed above. More specifically, we propose that as the algal cell contents pass through the sea slug gut, DNA (and possibly RNA) released from broken nuclei may have been taken up directly or transferred by a viral vector. The foreign DNA then become part of the animal nuclear DNA, transferring genetic information from the algal nucleus to the sea slug and helping to impart new traits to the animal over the course of evolutionary time. It is also likely that transfer of plastid DNA has occurred or is still occurring as a result of rupture of some of the plastids in the sea slug cells.


Invertebrate of the Week #14 – Elysia chlorotica: a (possibly) solar-powered sea slug

Elysia chlorotica can be found in waters along the Atlantic Coast of North America (from Nova Scotia to Florida) and along the Gulf Coast of the United States.

It inhabits saline marshes, intertidal pools, and brackish canals at a depth between 0 – 0.5m. That penchant for a shallow depth range within the reach of sunlight provides a clue to what gives this beautiful sacoglossan its a stunning emerald green color: chlorophyll.

Research by scientists like Sydney ‘Skip’ Pierce suggests that the slug may be capable of sequestering the chloroplasts within its body in a manner that allows them to continue photosynthesizing. Those chloroplasts then continue to function and providing the slug with a steady supply of sugars.

After emerging from the larval stage, young Elysia colorata consume large quantities of Vaucheria litorea algae. The slugs pierce the algal filaments and suck out a soup of algal cytoplasm. That liquid diet passes into the digestive tract where the chloroplasts are isolated and sequestered into vacuoles along branches of the digestive tract.

According to Prof. Pierce’s hypothesis, eventually, enough chloroplasts are ingested and sequestered to allow the slug to produce enough products of photosynthesis to provide a steady supply of food. But for that method to work, the story can’t stop there.

You might recall from your basic biology courses that chloroplasts have their own DNA, separate from the organism they are found within. When inside their native V. litorea algae, the chloroplasts rely on a combination of proteins encoded in their own genome and on proteins encoded by the genes of the algae itself. Without the two genomes working in concert, the chloroplasts are unable to function.

One would think that once the algal chloroplasts were translocated into their new Elysia colorata host, they would lose access to the vital proteins produced by their former algal home and would subsequently become dysfunctional.

Here’s where things get interesting. Since the chloroplasts observed in Elysia colorata appear to be fully operational, they must be getting those vital proteins from somewhere. The mechanism by which that is occurring, however, place remains a mystery.

Two possibilities have been put forth. The first possibility is that this species of slug incorporated algal DNA into its own genome at some point, either through horizontal gene transfer or through a viral vector. Both possibilities, however, have their pitfalls and neither has been sufficiently supported by the studies thus far.

Other researchers, like Sven Gould and graduate student Christa Gregor, have offered a different explanation. Based on observations from two similar species, Elysia timiday Plakobranchus ocellatus, they believe that the chlorophyll may just be stored as a fat and protein-rich food reserve to be used in times of need. This might explain why the slugs are able to endure prolonged periods of starvation and become progressively paler when they’re unable to graze on algae.

Perhaps the answer is in some combination of the two possibilities, with the slugs using photosynthesis in concert with ‘chlorophyll as food-storage reserves’. I can’t help but wonder if the proteins necessary for photosynthesis could be obtained through ingesting a steady supply of protein-rich V. litorea cytoplasm. Any marine algal specialists, biochemists, slug geneticists, etc. reading this want to weigh in?


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THE SEA SLUG WITH A RATHER EYE-WATERING MATING RITUAL

The first known instance of creatures growing their own 'disposable penises' was discovered by researchers studying the mating habits of sea slugs.

Researchers in Japan were astonished when they realised that a group of sea slugs called Chromodoris reticulata lose their penises after sex but then grow another one a few hours later.

The creatures, also known as nudibranchs, are hermaphrodites, meaning they had both male and female organs.

But the revelation that their penises fell off and then re-grew was a surprise to scientists.

The discovery was made after a team from Osaka City University and Tokyo's Nihon University collected the sea slugs from shallow coral reefs off the coast near Okinawa.

They placed the slugs together in aquaria in pairs and observed them having sex.

The researchers noticed that those who had recently mated were unable to do so again within 24 hours.

Looking more closely, they saw that after having sex, the creatures detached themselves from their partner then crawled away with their penises dragging along behind them. About 20 minutes later, the used penis would fall off.

Professor Sidney Pierce, a biologist at the University of South Florida and the University of Maryland, said: 'There is no way on earth that genes from an alga should work inside an animal cell, and yet here, they do.

'They allow the animal to rely on sunshine for its nutrition. So if something happens to their food source, they have a way of not starving to death until they find more algae to eat.

'Figuring out the mechanism of this naturally occurring gene transfer could be extremely instructive for future medical applications.'

If it is possible to understand how the slug manages to use these plant genes may allow new types of genes from other species to be used to treat human diseases.

Elysia chlorotica is found in shallow pools and salt marshes along the east coast of the United States, particularly in Massachusetts, Connecticut, New York, New Jersey, Maryland, Florida and Texas

Juveniles are usually a reddish-brown colour before they begin feeding on algae.

It has been known since the 1970s that the Elysia chlorotica is able to incorporate chloroplasts from algae into its own cells, turning them bright green.

Chloroplasts are tiny capsules of biological machinery, or organelles, inside green leaves that use sunlight to power chemical reactions that plants need to survive.

The slug sucks the sap out of the algae Vaucheria litorea and embeds into the cells of its digestive system.

The slug is then able to use these chloroplasts to produce carbohydrates and lipids for itself for up to nine months.

The slug incorporates chloroplasts, shown above in plant cells, into the cells of its own digestive system

The slug gets its bright green colour from the algae it feeds on (above) as it steals chloroplasts from the plants

Yet how it is able to maintain these chloroplasts for such a long time without the support provided by a plant cell was not known.

Professor Pierce and his colleagues analysed the DNA of the slug and found that it had managed to incorporate a gene from the algae into its own chromosomes.

It uses this gene to repair damage to the chloroplasts and to keep it functioning.

Professor Pierce said: 'The gene is incorporated into the slug chromosome and transmitted to the next generation of slugs.'

'When a successful transfer of genes between species occurs, evolution can basically happen from one generation to the next.'


Going Green: The Most Plantlike Animals

There's a species of sea slug, Elysia chlorotica, that only needs to eat when it is very young.

It gorges on algae, stealing their ability to harness the sun's energy, and then proceeds to sunbathe for the rest of its 10-month life.

But it's hardly alone: Other animals also take on some traits of plants in order to give them an edge against competitors. From solar-powered aphids to algae-embedded salamanders, these animals serve as living biology lessons and could be used to better understand immunity and improve gene therapy.

Here's a look at the weird ways some animals partner with and mimic plants.

If you can't do the things a plant can, then it's best to make nice and establish a symbiotic relationship with photosynthetic microorganisms. This is the trick used by many species of coral: They provide the skeleton and housing, and the sun-powered microbes called zooxanthellae provide the energy. [Extreme Life on Earth: 8 Bizarre Creatures]

But coral aren't the only organisms that make friends with algae. There is one symbiotic relationship that is strangely intimate &mdash and even more perplexing. Every spring in the northeastern United States, spotted salamanders awake from their subterranean slumber and gather in pools to breed. "They basically have orgies where they lay their clutches of eggs," said Ryan Kerney, who studies amphibians at Gettysburg College. "A couple days later, all the eggs will turn a slight green tinge."

What's this all about, he wondered? It turns out that a certain type of algae lives in these eggs, and confers a slight benefit to the developing embryo by increasing the concentration of oxygen in their cells. Strangely, though, Kenney found that these algae actually burrow inside the cells of the embryo. It's the first time a symbiotic organism has been shown to penetrate the cells of a vertebrate, he said.

"This isn't supposed to happen," he added. That's because vertebrates have an immune system that usually attacks foreign organisms.

Solar-powered sea slugs

Then there are sacoglossan sea slugs, several species of which can steal the chloroplasts of algae and photosynthesize themselves. This is very strange indeed, since chloroplasts need constant upkeep by the molecular machinery within algae and plants. Somehow, the slug has found out how to keep them running in an alien body.

"This just should not work on the face of it, but it does," said Sidney Pierce, a biologist at the University of South Florida. Pierce has spent much of the last four years looking for genes that could explain how these chloroplasts function. Within the cells of Elysia chlorotica, he's found about 50 genes involved in photosynthesis.

How are genes transferred from algae to the slug? "If I knew that, I'd have figured out how gene therapy works and I'd be a millionaire and retired," Pierce said. Gene therapy involves inserting genes into human DNA, and has the potential to help treat everything from cancer to blindness. It has proven elusive, however, due in part to the difficulty of inserting foreign DNA into the human genome and getting it to function as desired.

Others are not so sure that Pierce has proven how these sea slugs work their magic. Researchers Mary Rumpho, at the University of Connecticut, and Heike Wägele, at Germany's Centre for Molecular Biodiversity Research, both question his findings. They said they aren't convinced the genes he's found have inserted themselves into the slug's DNA. Furthermore, many more than 50 genes would be necessary to keep these chloroplasts running, they said.

Wägele said she thinks the solution has to do with the slug's behavior, rather than its genes. These slugs shield the chloroplasts with curtainlike flaps on its body called parapodia to make them last longer, she said. The chloroplasts themselves are also unique, and much more long-lasting than most, she added. [Real or Fake? 8 Bizarre Hybrid Animals]

"The current state of knowledge is that we don't know how they do it," Rumpho said.

Pea aphids don't require thievery to produce energy from the sun.

A study published earlier this year in the journal Scientific Reports found that when placed in the light, pea aphids can produce adenosine triphosphate, or ATP, the cellular energy currency that powers biochemical reactions. (For animals, cells typically convert food into ATP, while plants create ATP via photosynthesis.)

Pea aphids are already special because they make carotenoids, which are usually produced by plants and microorganisms, and which can act as antioxidants when consumed by humans. These carotenoids help determine the color of the aphids and are also capable of making ATP from sunlight, wrote study author Alain Robichon, of France's Sophia Agrobiotech Institute, in an email.

Growing leaves

It's easy to marvel at the wizardry of these solar-powered animals, and natural to wonder: What can humans learn from their tricks? Could we ever employ these techniques? Scientists said that studies of "photosynthetic" animals could help improve gene therapy if humans figure out how algal genes were transferred into the slugs, it could perhaps help us transfer useful genes from other creatures into our own DNA, Pierce said.

Rumpho said this research could help understand how slugs and salamander embryos know not to attack these foreign organisms, which could shed light on the workings of the immune system.

Unfortunately, it may however be awhile before we can make ourselves photosynthetic and sunbathe instead of eating animals need much more energy than plants to move about &mdash and making a human's skin photosynthetic, for example, would provide a negligible energy boost, Pierce said.

That is, unless we drastically altered our bodies to resemble trees. "We'd all have to grow leaves if we wanted to do it," he said.


Spotted Salamander

A significant difference between plants and animals is that plants can convert solar energy into useable energy. Besides some select invertebrates, it was thought that no other vertebrates were capable of photosynthesis.

However, the embryos of the spotted salamander are considered the only instance among vertebrates where a symbiotic relationship exists between it and algae. Scientists, after careful analysis of the embryo, spotted a greenish hue present inside the cell. This signifies the presence of chlorophyll produced by algae. It incorporates itself into the embryo’s mitochondria, thereby directly utilizing this process for the creation of energy.

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Ver el vídeo: La fotosíntesis de las plantas. Ciencias naturales para niños (Mayo 2022).


Comentarios:

  1. Arshavir

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