Гены, позволяющие бактериям выживать в токсичных почвах с тяжёлыми металлами
Исследование показало, что некоторые почвенные бактерии могут приобретать наборы генов, которые позволяют им выкачивать тяжёлый металл никель из своих систем. Это позволяет бактериям не только процветать в токсичных почвах, но и помогать растениям там расти.
Команда исследователей под руководством Университета штата Вашингтон определила набор генов у диких почвенных бактерий, который позволяет им это делать в серпентинитовых почвах с естественно высокой концентрацией токсичного никеля. Это генетическое открытие, подробно описанное в журнале Proceedings of the National Academies of Sciences, может помочь в будущих усилиях по биоремедиации, направленных на возвращение растений в загрязнённые почвы.
«Мы можем с уверенностью сказать, что именно эти гены позволяют бактериям выживать при воздействии тяжёлого металла, потому что если мы их уберём, они погибнут. Если мы добавим их новой бактерии, чувствительной к тяжёлому металлу, она внезапно становится устойчивой», — сказала Стефани Портер, старший автор исследования и эволюционный эколог.
Почвенные бактерии ризобии критически важны для бобовых растений, включая коммерческие культуры, такие как соя и люцерна, поскольку они симбиотически связываются с корнями и помогают растениям фиксировать азот, по сути удобряя их.
Для этого исследования Портер и её коллеги взяли образцы диких бактерий ризобий из 55 лугов в Орегоне и Калифорнии, некоторые из которых были на богатых никелем серпентинитовых почвах, а некоторые — нет. Они провели ряд генетических анализов и обнаружили, что набор генов, называемый опероном устойчивости к никелю, необходим, чтобы позволить бактериям выжить при воздействии тяжёлого металла.
Также было обнаружено, что адаптация точно настроена на уровень никеля в почве. Бактерии из районов с высокой концентрацией никеля имели версии генов, которые обеспечивали большую устойчивость, в то время как у бактерий из районов с меньшим количеством никеля были гены, не столь эффективные для переносимости более высоких уровней.
«Это очень красивое соответствие между этими ризобиями и их средой обитания, — сказала Портер. — Это изысканная эволюционная история о том, как возникает и поддерживается разнообразие в природе — чтобы очень точно соответствовать уровню вызова, с которым сталкиваются эти организмы».
Команда изучает механизм этой адаптации, известный как «горизонтальный перенос генов». В отличие от животных, бактерии передают генетическую информацию не только от родителя к потомку. Они также могут обмениваться «мобильными» наборами генов с другими бактериями просто при близком контакте.
Портер сравнивает этот процесс с загрузкой приложения на смартфон: одна бактериальная клетка соединяется с другой в окружающей среде, и они обмениваются пакетами информации, по сути, наборами генов. Затем бактерия «загружает» информацию, и новая ДНК становится частью генома этого организма.
Многие виды бактерий делают это, чтобы адаптироваться к разным средам, сказала соавтор Анжелика Монтойя, кандидат наук в лаборатории Портер. Это включает некоторые бактерии, проблемные для людей, например, вредные бактерии, которые могут приобретать устойчивость к антибиотикам.
«Существует целый спектр признаков, которые эти мобильные элементы придают бактериям», — сказала Монтойя.
Исследователи надеются, что лучшее понимание этих мобильных генетических элементов позволит использовать некоторые из этих признаков для применения микробов в решении таких проблем, как загрязнённые почвы, влияние которых возрастает.