Учёные ввели бактерии в грибы для изучения эндосимбиоза

Эндосимбиоз — это удивительное биологическое явление, при котором один организм живёт внутри другого. Такие необычные отношения часто выгодны для обеих сторон. Даже в наших телах есть следы такого сожительства: митохондрии произошли от древнего эндосимбиоза. Давным-давно бактерии проникли в другие клетки и остались там. Это сосуществование заложило основу для митохондрий и, следовательно, клеток растений, животных и грибов.

Однако до сих пор плохо изучено, как на самом деле возникает эндосимбиоз как образ жизни. Бактерии, которые более или менее случайно оказываются в совершенно чужой клетке-хозяине, обычно испытывают трудности. Им нужно выжить, размножиться и передаться следующему поколению. В противном случае они вымирают. И чтобы не навредить хозяину, они не должны потреблять слишком много питательных веществ и расти слишком быстро. Другими словами, если хозяин и его «жилец» не могут ужиться, отношения заканчиваются.

Чтобы изучить начало таких особых отношений между двумя организмами, команда исследователей под руководством профессора микробиологии ETH Zurich Юлии Форхольт инициировала подобные партнёрства в лаборатории. Учёные наблюдали, что именно происходит в начале возможного эндосимбиоза. Их исследование только что опубликовано в научном журнале Nature.

Для этой работы Габриэль Гигер, докторант лаборатории Форхольт, сначала разработал метод инъекции бактерий в клетки гриба Rhizopus microsporus, не разрушая их. Он использовал бактерии E. coli, с одной стороны, и бактерии рода Mycetohabitans — с другой. Последние являются естественными эндосимбионтами другого гриба Rhizopus. Однако для эксперимента исследователи использовали штамм, который в природе не образует эндосимбиоз. Затем Гигер наблюдал под микроскопом, что происходит с принудительным сожительством.

После инъекции бактерий E. coli и гриб, и бактерии продолжали расти, причём последние в итоге так быстро, что гриб запустил иммунный ответ против них. Гриб защищался от бактерий, инкапсулируя их. Это предотвратило передачу бактерий следующему поколению грибов.

Бактерии попадают в споры

С инъецированными бактериями Mycetohabitans дело обстояло иначе: пока гриб формировал споры, некоторым бактериям удавалось проникнуть в них и, таким образом, передаться следующему поколению. «Тот факт, что бактерии фактически передаются следующему поколению грибов через споры, стал прорывом в нашем исследовании», — говорит Гигер.

Когда докторант позволил спорам с резидентными бактериями прорасти, он обнаружил, что они прорастают реже и что молодые грибы растут медленнее, чем без них. «Эндосимбиоз изначально снижал общую приспособленность поражённых грибов», — объясняет он.

Гигер продолжил эксперимент в течение нескольких поколений грибов, намеренно отбирая те грибы, чьи споры содержали бактерии. Это позволило грибу восстановиться и производить больше заселённых, но жизнеспособных спор. Как показали генетические анализы, гриб изменился во время этого эксперимента и адаптировался к своему «жильцу».

Исследователи также обнаружили, что резидент вместе со своим хозяином производил биологически активные молекулы, которые могли помочь хозяину получать питательные вещества и защищаться от хищников, таких как нематоды или амёбы.

«Таким образом, первоначальный недостаток может стать преимуществом», — подчёркивает Форхольт.

Хрупкие системы

В своём исследовании учёные показывают, насколько хрупки ранние эндосимбиотические системы. «Тот факт, что приспособленность хозяина изначально снижается, может означать раннюю гибель такой системы в естественных условиях», — говорит Гигер.

«Чтобы возник и стабилизировался новый эндосимбиоз, должно быть преимущество от совместной жизни», — говорит Форхольт. Предпосылкой для этого является то, что потенциальный резидент обладает свойствами, благоприятствующими эндосимбиозу. Для хозяина это возможность одним махом приобрести новые характеристики, включив в себя другой организм, даже если это требует адаптаций.

«В эволюции эндосимбиозы показали, насколько успешными они в конечном итоге могут стать», — подчёркивает профессор ETH.