Выращены сотни обильных пресноводных микробов для лабораторных исследований
До сих пор большинство усилий по культивированию микробов было сосредоточено на быстрорастущих организмах, которые растут на богатых питательными веществами средах. Это оставило многие из самых обильных водных микробов — медленнорастущих олиготрофов, адаптированных к условиям с низким содержанием питательных веществ, — практически не изученными.
Международная команда под руководством Михаэлы Зальхер из Биологического центра Чешской академии наук и Беттины Зоннтаг из Исследовательского отдела лимнологии Университета Инсбрука заполнила этот пробел, успешно культивировав 627 чистых штаммов из 72 родов, взятых из 14 озер Центральной Европы.
Их недавнее исследование, опубликованное в Nature Communications, знаменует значительный прогресс в микробиологии, позволив получить в культуре большую коллекцию ранее не культивируемых пресноводных бактерий — организмов, давно известных своей высокой численностью в природе, но редко представленных в публичных коллекциях культур.
Культивирование некультивируемого
Команда использовала высокопроизводительный метод разведения до исчезновения с индивидуально разработанными средами, имитирующими природную озерную воду с низкой концентрацией питательных веществ. Это поддерживало рост олиготрофов, предотвращая их вытеснение быстрорастущими конкурентами.
Этот метод дал богатое разнообразие культивированных микробов, включая штаммы из 15 из 30 самых обильных пресноводных бактериальных родов. Они представляли до 72% родов, обнаруженных в природных образцах (в среднем 40%), и охватывали ключевые линии, широко распространенные в глобальных пресноводных системах.
Новая коллекция культур включает множество ранее не культивируемых таксонов из классических пресноводных типов (например, Actinomycetota, Pseudomonadota, Verrucomicrobiota, Bacteroidota) и первого свободноживущего пресноводного представителя Armatimonadota.
Среди культивированных штаммов — многие из самых обильных пресноводных бактериальных родов, включая представителей пресноводного рода SAR11 Fontibacterium, метилотрофа Methylopumilus и пресноводных специалистов, таких как Planktophila. Эти таксоны печально известны своим недостаточным представлением в публичных репозиториях из-за медленного и нестабильного роста и неизвестных требований к условиям культивирования.
Метагеномное секвенирование тех же образцов озера показало, что культивированные штаммы тесно соответствуют метагеномно-собранным геномам (MAGs), подтверждая релевантность культур для природных микробных сообществ. Исследователи также проанализировали более 460 общедоступных пресноводных метагеномов с шести континентов, подтвердив, что многие из этих таксонов имеют глобальное распространение.
Геномная новизна и метаболические инсайты
Полногеномное секвенирование 87 культивированных штаммов выявило два новых семейства, девять новых родов и 41 новый вид. Секвенированные геномы дают представление об экологических адаптациях к пресноводным средам:
- Упрощение генома: Малые размеры генома, ведущие к экономии энергии и снижению метаболической гибкости, характерны для высокообильных таксонов, таких как Fontibacterium и Planktophila, адаптированных к низкопитательным (олиготрофным) средам.
- Способность улавливать свет: Многие штаммы используют протон-перекачивающие родопсины или аэробную аноксигенную фототрофию для улавливания световой энергии.
- Разнообразные метаболические черты: От метаболизма серы и азота до биосинтеза витаминов и деградации углеводов — коллекция культур охватывает широкий спектр экологических функций. Хотя большинству штаммов не хватает путей биосинтеза для нескольких витаминов, таких как кобаламин (витамин B₁₂), некоторые штаммы, по-видимому, способны снабжать этими важными витаминами окружающие пресноводные сообщества.
Новые культуры заполняют крупный пробел в микробиологических исследованиях, предоставляя доступ к модельным организмам, которые многочисленны в природе, но редко культивируются в лаборатории. Это позволяет проводить контролируемые эксперименты для ответа на фундаментальные экологические и эволюционные вопросы.
Новая коллекция штаммов и геномов находится в открытом доступе, предлагая базовый ресурс для исследователей, изучающих роль микробов в круговороте углерода и питательных веществ, качестве воды, устойчивости экосистем и многом другом.