Морской микроб содержит множество форм

Глубокое исследование микробной геномики показало, что один вид бактерий состоит из четырех экологически различных групп с разным образом жизни.

Бактерия SAR324 отличается необычайной космополитичностью. В северной части Тихого океана, в субтропическом круговороте, микробы обычно остаются локализованными на разных глубинах. Но SAR324 можно найти по всей толще воды: от теплой, хорошо освещенной поверхности до сумеречной зоны с синим светом и далее до постоянного давления темной бездны на глубине 4000 м. Ученые задавались вопросом: как SAR324 может существовать в столь разных условиях? Теперь новое исследование, опубликованное в журнале Microbiome, показало, что SAR324 включает четыре подгруппы, адаптированные к разным океаническим глубинам и использующие разные способы существования.

Микробы помогают регулировать глобальный углеродный цикл — фиксируя, преобразуя и выделяя углерод. Понимание метаболизма SAR324 и других микробов может улучшить представления ученых о потоках углерода в окружающей среде. Более того, глубокий океан является крупнейшим неорганическим резервуаром углерода на Земле; поскольку SAR324 — один из самых распространенных организмов в глубоком океане — способен фиксировать углерод, он может влиять на этот углеродный пул.

Чтобы изучить образ жизни SAR324, ведущий автор Доминик Бёф и коллеги отправились в исследовательские экспедиции в 2015 и 2016 годах. На станции ALOHA, месте проведения 30-летней программы Hawaii Ocean Time-series (HOT), они периодически собирали образцы микробных сообществ океана на разных глубинах. Чтобы определить геномную структуру клеток SAR324 и их экспрессию генов, команда секвенировала коллективные геномы и транскриптомы (метагеномы, метатранскриптомы), а также геномы отдельных клеток некультивируемой SAR324. Этот массив данных дал команде беспрецедентное разрешение для изучения сети генов, которые определяют метаболические возможности отдельных клеток SAR324. Работа с отдельными клетками проводилась в сотрудничестве с учеными Таньей Войке и Рексом Мальмстромом из Объединенного института генома Министерства энергетики США (JGI) — пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики, расположенного в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, — через Программу поддержки научных сообществ JGI. Метагеномы также обрабатывались с использованием программного пакета BBTools, разработанного в JGI, и системы JGI Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M).

Анализируя метагеномы, метатранскриптомы и геномы отдельных клеток, Бёф (в то время постдок в группе Эда ДеЛонга в Гавайском университете в Маноа) и коллеги обнаружили, что SAR324 состоит из четырех экологически различных кластеров, или экотипов. Эти экотипы делятся на две основные группы: два экотипа обитают в освещенных солнцем верхних слоях воды (выше 200 м) и имеют гены, поддерживающие фотогетеротрофный образ жизни. Другими словами, они "перекусывают" готовым фиксированным углеродом, если могут его получить, вместо того чтобы производить его самим, но используют солнечный свет, чтобы выжить у поверхности. Два других экотипа, напротив, процветают в темноте, ниже 200 м. У них есть гены, поддерживающие хемолитoавтотрофный способ жизни; они могут фиксировать диоксид углерода, но приводят в действие эту энергоемкую реакцию, используя простые неорганические серосодержащие химические вещества вместо света.

Бёф отметил, что без JGI открытия, сделанные в этом проекте, были бы невозможны. Ученые не знали, что SAR324 включает эти разные экотипы, потому что исторически они использовали последовательность "маркерного гена", а именно гена 16S рибосомной РНК (рРНК), для идентификации микробных видов. У всех SAR324 очень близкородственные гены 16S рРНК, но эти гены скрывают поразительное разнообразие их геномных возможностей. По словам Бёфа, гены 16S рРНК похожи на почтовые марки на посылках: если сосредоточиться только на марках, можно упустить богатое содержимое, к которому они прикреплены.