Ограниченная адаптивность делает пресноводные бактерии уязвимыми к изменению климата

Пресноводные бактерии с малыми геномами часто переживают продолжительные периоды адаптивного застоя. На основе геномного анализа проб из Цюрихского и других европейских озер исследователи из Университета Цюриха выявили специфические эволюционные стратегии, формирующие образ жизни этих бактерий. Понимание эволюционной динамики водных микробных сообществ — ключ к защите экосистемных услуг.

Пресноводные ресурсы ограничены: лишь 3.5% воды на Земле — пресная, и только 0.25% доступно на поверхности. Тем не менее, пресноводные озера важны для функционирования экосистем и глобального цикла углерода благодаря высокой биологической продуктивности и микробной активности. Они критически важны для выживания человека, обеспечивая питьевую воду, сельское хозяйство, рыболовство и рекреацию. Однако изменение климата, особенно рост температур, угрожает этим средам, нарушая микробные сообщества, необходимые для круговорота питательных веществ и поддержания качества воды.

Исследовательская группа проанализировала временные ряды проб (2015–2019 гг.) из пяти европейских пресноводных озер: Цюрихского, Тунского и Боденского в Швейцарии, а также водохранилища Ржимов и пруда Йиржичка в Чехии. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

«Хотя адаптация к экологической нише — главный эволюционный механизм, ведущий к диверсификации популяций и появлению новых видов, наши результаты неожиданно показывают, что многие многочисленные пресноводные бактерии с малыми геномами часто переживают длительные периоды адаптивного застоя», — говорит руководитель исследования.

Эта остановка адаптивных процессов противоречит обычному ожиданию, что микробные виды могут адаптироваться к меняющимся условиям среды.

Секретируемые белки как индикаторы эволюционной адаптации

Бактерии адаптируются к среде, используя специализированные белки, которые могут секретироваться в окружающую среду или быть связаны с клеточной мембраной. Эти белки играют ключевую роль в поглощении питательных веществ, межбактериальной коммуникации, обнаружении и реакции на стимулы среды. Адаптивность бактерий обычно зависит от генетического разнообразия в генах, кодирующих эти белки.

Однако исследователи теперь показывают, что у многочисленных пресноводных бактерий с редуцированными геномами наблюдается удивительно мало вариаций в этих генах, что указывает на фазу адаптивного застоя. Следовательно, этим бактериям может быть сложно адаптироваться к меняющимся условиям среды.

Ограниченная способность адаптироваться к меняющейся среде

«Наши наблюдения позволяют предположить, что эти бактерии, вероятно, достигли пиков приспособленности, найдя идеальные структуры и уровни активности белков», — отмечают ученые.

Их протеомы уже достигли оптимального состояния в ходе эволюции, где дальнейшие серьезные изменения не являются ни выгодными, ни необходимыми для выживания и адаптации к их текущим нишам. Эта внутренняя негибкость ограничивает способность этих организмов исследовать новую генетическую изменчивость и эффективно адаптироваться к динамичным условиям окружающей среды.

«Эти знания крайне важны, поскольку мы сталкиваемся с нарастающими последствиями изменения климата, которое серьезно угрожает пресноводным местообитаниям — средам, особенно уязвимым к антропогенным изменениям», — заключают авторы.