Как симбиотические бактерии адаптируются к большим изменениям среды
Изучить влияние среды на эволюцию животных сложно из-за их медленного размножения и сложного поведения. Микробиологи имеют преимущество: бактерии размножаются быстро, что делает их удобным объектом для изучения эволюции.
Люциниды — незаметные двустворчатые моллюски морского дна, один из самых разнообразных океанических таксонов, — зависят от симбиотических бактерий для выживания. Исследователи из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене (Германия) раскрыли эволюционный путь этих крошечных "квартирантов". Работа опубликована в журнале PLOS Genetics.
Столкнувшись с резкими изменениями среды после закрытия Панамского перешейка, моллюски приобрели новые метаболические навыки для собственного выживания. Понимание адаптивных стратегий бактерий дает представление об их потенциальных реакциях на сложные изменения окружающей среды, вызванные, в том числе, деятельностью человека.
Панамский перешеек как природный эксперимент
Команда Лаэтитии Уилкинс изучает бактериальную эволюцию в уникальном сценарии: на Панамском перешейке. Эта полоса суши, соединяющая Северную и Южную Америку и разделяющая Тихий океан и Карибское море, — идеальное место для наблюдения за эволюцией в "реальном времени".
Закрытие перешейка 2,8 миллиона лет назад вызвало значительные изменения морской среды по обе его стороны. Карибская сторона стала теплее, солонее и беднее питательными веществами, в то время как для тропической восточной части Тихого океана характерны переменные температуры, сильные приливы и высокий уровень питательных веществ. Эти различия заставили морские организмы выработать разные стратегии выживания.
Люциниды и их симбиотические бактерии: партнеры в эволюции
Люциниды, обитающие как в Карибском море, так и в водах Тихого океана вокруг перешейка, существуют не менее 400 миллионов лет. Их секрет успеха — симбиотические бактерии, живущие в жабрах и помогающие удовлетворять пищевые потребности. Эти моллюски не могут выжить без своих маленьких спутников.
При этом симбиотические бактерии, похоже, не зависят от люцинид. Они могут свободно жить в осадке. Это позволяет им взаимодействовать с другими бактериями и обмениваться генетическим материалом посредством горизонтального переноса генов. Это, в сочетании с быстрым размножением, помогает им быстро адаптироваться к среде.
Разная адаптация в Карибском море и Тихом океане
Исследователи обнаружили, что симбиотические бактерии по-разному справились с вызовом по обе стороны перешейка: бактерии в Карибском море способны фиксировать азот, тогда как у тихоокеанских симбионтов этой способности нет.
"Жизнь невозможна без азота. Поскольку в Карибском море очень низкий уровень нитратов — легко усваиваемой формы азота, — бактериям нужны другие источники этого питательного вещества. Их способность фиксировать азот, вероятно, позволила им выжить там. С другой стороны, тихоокеанские симбионты не сталкивались с этой проблемой, поскольку в их водах уровень нитратов в десять раз выше, чем в Карибском море", — объясняют авторы.
Есть и другие генетические различия. Ученые обнаружили уникальные гены, присутствующие у тихоокеанских симбионтов, но отсутствующие у карибских.
Например, симбионты в Тихом океане обладали потенциалом для синтеза гамма-полиглутамата (соединения для хранения, производимого бактериями при ограничении питательных веществ) или дегидрогеназ электрон-трансферирующего флавопротеина (ETF), которые вырабатываются в ответ на низкие температуры и анаэробные условия.
"Эти гены, вероятно, помогают симбионтам справляться с более значительными сезонными изменениями питательных веществ, температуры и уровня кислорода в Тихом океане по сравнению с Карибским морем", — отмечают исследователи.
Новые метаболические возможности раскрывают уникальный эволюционный путь
Ученые также выяснили, как карибские симбионты приобрели гены, необходимые для фиксации азота. Сравнение геномов симбионтов по обе стороны перешейка с геномами симбионтов люцинид со всего мира показало, что их последний общий предок, скорее всего, не обладал способностью к фиксации азота.
"Скорее всего, фиксация азота — недавно приобретенный признак, полученный только симбионтами, столкнувшимися с бедной питательными веществами средой", — поясняют авторы. Это открытие подчеркивает ключевую роль среды в формировании бактериальной эволюции. "Посредством горизонтального переноса генов симбионты люцинид, вероятно, получили гены фиксации азота от другой линии симбионтов".
Будущие исследования должны быть сосредоточены на понимании симбиотических отношений между этими бактериями и их хозяевами-люцинидами. "Было бы очень интересно узнать, приносят ли новые метаболические способности бактерий, такие как фиксация азота, пользу моллюскам в их способности выживать в окружающей среде, и отбирают ли моллюски активнее тех бактериальных кандидатов, которые лучше приспособлены к жизни внутри них", — говорят ученые.
"Это исследование улучшает наше понимание способности бактерий реагировать на изменения окружающей среды, что заставляет нас думать, что бактериальные сообщества, возможно, уже адаптируются к антропогенным изменениям, таким как поступление избытка питательных веществ с сельскохозяйственных полей в прибрежные воды", — комментирует руководитель группы Лаэтития Уилкинс.