Отслеживание членов растительного микробиома с помощью ДНК-штрихкодов

Исследовательская группа под руководством Пауля Шульце-Леферта из Института селекции растений Общества Макса Планка (Кёльн, Германия) разработала модульный инструментарий для отслеживания бактериальных штаммов, колонизирующих растительную ткань в конкуренции с другими членами микробиома. Исследование опубликовано в Nature Microbiology.

Растение в природе вмещает огромное разнообразие микроорганизмов — сообщество, называемое растительным микробиомом. Для оценки его состава обычно определяют последовательность ДНК универсального микробного маркерного гена, состоящего из вариабельных и консервативных сегментов. Это позволяет различать виды по полиморфным маркерным последовательностям ДНК.

Однако полезные для растения функции, такие как мобилизация питательных веществ из почвы, часто выполняются отдельными штаммами внутри вида и зависят от наличия специализированных микробных генов. Следовательно, современный ДНК-секвенированный профиль микробиоты недостаточен для отражения истинного генетического разнообразия сообщества.

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи создали модульный инструментарий, используемый как ДНК-штрихкод для бактериальных штаммов. Штрихкод вставляется в хромосому отдельного штамма и в последующих анализах рассматривается как синтетический микробный маркерный ген.

Помимо хромосомного штрихкода, были добавлены генетические блоки для флуоресцентных белков. Это позволяет с помощью высокочувствительных детекторов визуализировать, где именно в растительной ткани колонизирует меченый штамм в условиях конкуренции.

Эксперименты проводили с ростостимулирующей бактерией Pseudomonas capeferrum, колонизирующей корни модельного растения Arabidopsis, а также с её вариантами, отличающимися от дикого типа только отсутствием определённых генов.

Эти гены Pseudomonas подавляют иммунные ответы растения-хозяина, усиливая способность бактерии колонизировать корни, что, в свою очередь, повышает её ростостимулирующую активность. Бактерии с ДНК-штрихкодами показали ожидаемую дифференциальную способность к колонизации корней при инокуляции стерильных растений отдельными штаммами.

Неожиданным стало появление качественно новых характеристик у бактерий Pseudomonas, когда комбинации дикого штамма и его вариантов инокулировали на растение-хозяина вместе с собранным в лаборатории консорциумом микробиома из разных бактерий. В биологии это явление называют эмерджентным или системным свойством.

Таким образом, использование ДНК-штрихкодов не только подтвердило предыдущие результаты, но и выявило новые функции бактериальных генов, которые невозможно было идентифицировать обычными методами. Модульный инструментарий ДНК-штрихкодирования теперь можно использовать для изучения вклада отдельных микробных генов в контексте микробных сообществ не только у растений, но и в исследованиях микробиома животных.