Геномная машина времени: эволюционное прошлое через микробиом губок

Губки на коралловых рифах, менее заметные, чем кораллы, но критически важные для здоровья экосистемы, — одни из древнейших животных планеты. Исследование Университета Нью-Гэмпшира (UNH) предлагает новый подход к пониманию сложной эволюции губок и живущих с ними в симбиозе микробов. Эта «геномная машина времени» позволяет предсказывать аспекты экосистем рифов и океанов на протяжении сотен миллионов лет эволюционных изменений.

«Это исследование показывает, как микробиомы эволюционировали в группе организмов возрастом более 700 миллионов лет», — говорит ведущий автор работы Сабрина Панки, постдок в UNH. Статья опубликована в Nature Ecology & Evolution. «Губки увеличивают численность на рифах в ответ на изменение климата и играют огромную роль в качестве воды и фиксации питательных веществ».

Значение работы выходит за рамки губок, предлагая новый подход к реконструкции прошлого на основе геномики. «Если мы можем реконструировать эволюционную историю сложных микробных сообществ, мы можем многое сказать о прошлом Земли», — отмечает соавтор Дэвид Плачетски, доцент молекулярных, клеточных и биомедицинских наук в UNH. Такие исследования могут раскрыть аспекты химического состава океанов Земли до появления современных коралловых рифов или дать представление о потрясениях морских экосистем после крупнейшего в истории вымирания около 252 миллионов лет назад.

Метод и открытия

Исследователи охарактеризовали почти 100 видов губок из Карибского бассейна, используя машинное обучение для моделирования состава и обилия уникальных микробиомов — сообществ микробов и бактерий, живущих в симбиозе с губкой. Были обнаружены два различных типа состава микробиома, которые привели к разным стратегиям питания (губки фильтруют воду) и защиты от хищников — даже среди видов, растущих бок о бок на одном рифе.

«Типы симбиотических сообществ, которые мы описываем, очень сложны, но мы можем показать, что они независимо эволюционировали много раз», — говорит Плачетски.

Панки добавляет: «Есть что-то очень специфическое в том, что делают эти микробные сообщества… губки десятки раз "решили", что такое разнообразное сообщество микробов им подходит».

Используя новый геномный подход, исследователи обнаружили, что происхождение одного из этих типов микробиома — с высоким микробным обилием (HMA, более миллиарда микробов на грамм ткани) — совпало по времени со значительным изменением биогеохимии океанов Земли, которое произошло одновременно с возникновением современных коралловых рифов.

Работа в поле

Хотя выводы, названные Плачетски «тур-де-форсом секвенирования микробных штрих-кодов», были получены с помощью машинного обучения и геномного секвенирования, работа началась далеко от лаборатории, в тёплых водах Карибского моря.

«Мы ныряли за всеми 1400 образцами», — говорит Панки, которая совершила пять экспедиций в 2017 и 2018 годах для сбора губок. Она отмечает вклад соавторов из Университета Миссисипи и Национального университета Комауэ в Аргентине в сбор и молекулярную идентификацию губок, а также бывшего аспиранта Кейра Маккартни. Методы полевых работ были заложены соавтором, заслуженным профессором-исследователем UNH Майклом Лессером.