Бактерии-«друзья» убивают водоросли-хозяев, когда сосуществование перестаёт быть выгодным

Учёные детально описали переключение образа жизни у морских бактерий, при котором они переходят от взаимовыгодного сосуществования с водорослями-хозяевами к их внезапному уничтожению. Результаты опубликованы в журнале eLife.

Это открытие может дать новое понимание регуляции динамики цветения водорослей и его влияния на крупномасштабные биогеохимические процессы в морской среде.

Одноклеточные водоросли (фитопланктон) образуют цветения, ответственные примерно за половину фотосинтеза на Земле, и формируют основу морских пищевых сетей. Бактерии группы Roseobacter известны взаимовыгодным взаимодействием с фитопланктоном: водоросли поставляют органические вещества (сахара, аминокислоты), а бактерии — витамины группы B и факторы роста.

Однако недавние исследования показали, что розеобактеры могут переключаться с режима сосуществования на патогенность, убивая хозяев. Предполагалось, что ключевую роль в этом переключении играет химическое соединение DMSP, производимое водорослями.

Авторы исследования ранее выявили, что розеобактер Sulfitobacter D7 демонстрирует такое переключение при взаимодействии с фитопланктоном Emiliania huxleyi (E. huxleyi). Для характеристики переключения был проведён транскриптомный эксперимент, позволивший сравнить гены, экспрессируемые бактерией на стадиях сосуществования и патогенности.

Эксперимент показал, что у Sulfitobacter D7, выращенной в среде, индуцирующей патогенность, выше экспрессия транспортеров для метаболитов (аминокислот, углеводов), чем у бактерий в среде сосуществования. Эти транспортеры максимизируют поглощение веществ, высвобождаемых при гибели E. huxleyi. Также у патогенной формы наблюдалась повышенная активация жгутиковых генов, ответственных за движение. Эти два фактора позволяют бактерии использовать стратегию «съесть и убежать»: опередить конкурентов в поглощении материалов от мёртвой клетки водоросли и уплыть на поиски нового хозяина.

Роль DMSP в переключении на «убийственное» поведение была подтверждена картированием генов, активируемых в Sulfitobacter D7 в ответ на присутствие DMSP и других соединений, производных водорослей. Однако, когда присутствовал только DMSP, переключения не происходило. Это означает, что хотя DMSP опосредует переключение, оно также зависит от присутствия других инфохимикатов E. huxleyi — соединений, используемых организмами для коммуникации.

Поскольку DMSP производят многие виды фитопланктона, другие необходимые инфохимикаты, вероятно, позволяют бактерии распознать конкретного хозяина. В природной среде это обеспечивает специфичность: бактерия инвестирует в изменение экспрессии генов и метаболизма, только когда присутствует правильный партнёр-водоросль.

Исследование также раскрывает роль производного водорослей бензоата во взаимодействии Sulfitobacter D7 и E. huxleyi. Даже при высоких концентрациях DMSP бензоат поддерживает режим сосуществования. Бензоат — эффективный фактор роста, поставляемый водорослью бактерии во время сосуществования. Авторы предполагают, что пока Sulfitobacter D7 получает выгоду от сосуществования (материалы для роста), она поддерживает взаимовыгодное взаимодействие. Когда бензоата и других субстратов для роста становится меньше, бактерия переключает образ жизни и убивает хозяина, поглощая оставшиеся полезные материалы.

Точный механизм патогенности Sulfitobacter D7 против E. huxleyi ещё предстоит раскрыть. Система секреции II типа (комплекс для перемещения материалов через мембрану) более распространена у Sulfitobacter D7 по сравнению с другими розеобактерами, что указывает на уникальный метод патогенности, требующий дальнейшего изучения.

Работа создаёт концептуальную основу для понимания переключения от сосуществования к патогенности во взаимодействиях розеобактер–фитопланктон. Эти взаимодействия — недооценённый компонент в регуляции динамики цветения водорослей, и их дальнейшее изучение может прояснить их влияние на судьбу углерода и серы в морской среде.