Эволюция микробного сотрудничества: как возникает взаимозависимость

Учёные из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге использовали синтетическое микробное сообщество, чтобы изучить постепенную эволюцию мутуализма. Исследование впервые детально показывает, как в сообществах разных групп организмов может происходить эволюционная потеря независимости. Работа опубликована в Nature Communications.

Мутуализм — ассоциация организмов двух разных видов, выгодная обоим, — широко известен у животных и растений, но также играет ключевую роль в микробном мире, где разные виды часто живут в тесной связи. Эти микроорганизмы часто образуют сообщества, для которых характерен обмен метаболитами.

Но как сотрудничество эволюционирует в противовес эгоистичному поведению? Предыдущие знания в основном опирались на эволюционные «снимки» существующих природных симбиозов, оставляя механизмы, которые управляют постепенной потерей независимости в таких сообществах, в значительной степени гипотетическими.

Команда исследователей под руководством Виктора Суржика решила раскрыть механизмы, лежащие в основе эволюции микробного мутуализма, воспроизведя этот процесс в лаборатории.

Они создали синтетическое сообщество между прокариотическим партнёром (бактерией Escherichia coli) и эукариотическим партнёром, пивными дрожжами (Saccharomyces cerevisiae), и позволили ему эволюционировать в условиях, когда партнёры могли расти только вместе.

«Наше межцарственное сообщество бактерии и дрожжей — идеальная модель из-за хорошо изученного метаболизма и регуляции генов обоих организмов. Примечательно, что многие природные симбиотические взаимодействия также включают эукариотических и прокариотических партнёров, что делает эту модель особенно релевантной», — говорит Джованни Скаринчи, первый автор исследования.

Новый уровень взаимозависимости

В ходе экспериментальной эволюции команда наблюдала не только усиление запрограммированных кооперативных признаков, но и возникновение нового уровня взаимозависимости между членами сообщества. «Мы обнаружили, что дрожжевой партнёр стал сильно зависеть от своего бактериального партнёра в метаболизме азота — явление, обычное для природных симбиозов», — объясняет Скаринчи.

Всесторонний анализ показал, что отбор на взаимную выгоду происходил многократно косвенным путём: признаки, способствующие сотрудничеству, оказались связаны с другими, которые обеспечивали пользу. Исследователи обнаружили, что это связано как с плейотропией (один ген влияет на несколько признаков), так и с компромиссами (trade-offs).

«Хотя плейотропия рассматривалась как важный фактор в поддержании существующих мутуализмов, наши результаты показывают, что она также может двигать эволюцию новых мутуалистических взаимодействий, — говорит Суржик. — В отличие от этого, мы не смогли увидеть свидетельств группового отбора — общепринятого механизма, стоящего за эволюцией мутуализма».