Крошечные геномные островки помогают самым многочисленным бактериям океана гибко реагировать на изменения среды

Исследователи из Департамента растениеводства и микробиологии Университета Мигеля Эрнандеса в Эльче (UMH) с помощью метагеномики третьего поколения раскрыли геномную основу эволюционного успеха морских бактерий SAR11 — самых многочисленных бактерий в океане.

Опубликованное в журнале Microbiome исследование показывает, что эти бактерии сочетают общее «генетическое ядро» с небольшими геномными островками, каждый из которых обычно содержит один «гибкий ген». Это позволяет популяции динамично реагировать на изменения окружающей среды.

Морской микробиом играет ключевую роль в поддержании экосистем, глобальных биогеохимических циклах и обеспечивает до 98% первичной продуктивности океана. SAR11 — это клада свободноживущих бактерий, численно доминирующих в поверхностных водах океана, составляя 20–40% всех прокариотических клеток.

Впервые группа по микробной геномике и эволюции UMH объединила одноклеточную геномику и метагеномику длинных чтений, чтобы точно восстановить генетическое разнообразие SAR11 в пробах из Средиземного моря. Этот инновационный подход позволил раскрыть, как устроен геном SAR11 и как диверсифицируются штаммы, сосуществующие в одной популяции.

Исследование показывает, что эти бактерии имеют почти идентичное генетическое ядро, составляющее 81% их генома. Оставшаяся часть, известная как гибкий геном, сосредоточена в небольших областях, большинство из которых содержат один ген, и появляется в эквивалентных позициях у всех штаммов.

«Эти небольшие вариации всегда находятся в одном и том же месте в геноме и содержат гены со схожими функциями, хотя и в разных версиях», — объясняет Кармен Молина Пардинес, аспирант UMH и первый автор исследования.

Такая геномная структура способствует сосуществованию множества штаммов и сводит к минимуму прямую конкуренцию между ними. Она порождает поликлональные популяции — группы из множества генетических вариантов, сосуществующих в одной среде.

Эта структура сохраняет необходимые гены во время селективных замещений и поддерживает функциональную избыточность, защищая обширный генетический резервуар. Такой резервуар позволяет популяции быстро адаптироваться к давлению среды.

Исследование также демонстрирует, что метагеномика третьего поколения преодолевает технические ограничения, которые ранее затрудняли изучение этих микроорганизмов, крайне сложных для изолированного культивирования.