Модельные "микроэкосистемы" для изучения сетей взаимодействия продуцентов и консументов в микробных матах

Учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) изолировали два бактериальных консорциума из микробного мата озера Хот-Лейк (штат Вашингтон). Их охарактеризовали по видовому составу и метаболическим функциям, чтобы выявить взаимодействия, которые, как предполагается, поддерживают генетическое и функциональное разнообразие в консорциумах.

Результаты проливают свет на принципы, управляющие микробными сообществами, что необходимо для достижения цели — научиться предсказывать, конструировать и управлять сообществами, важными для глобального цикла углерода и энергии.

Каждый консорциум основан на единственной цианобактерии — автотрофе, который получает энергию от солнца через фотосинтез и использует её для производства сахаров из CO₂. Автотрофы снабжают гетеротрофов (организмы, потребляющие углерод, произведённый другими) углеродом и кислородом, необходимыми для получения энергии и биомассы.

"Если вы не понимаете взаимодействия, вы не можете предсказать, как сообщества отреагируют на изменение условий окружающей среды, или сконструировать их для устойчивого выполнения полезной функции", — говорит доктор Стив Линдеманн, ведущий автор исследования в Frontiers in Microbiology.

Относительная простота консорциумов делает их полезными модельными системами для расшифровки межвидовых взаимодействий и принципов сборки микробных сообществ.

Учёные обнаружили, что хотя консорциумы имели одинаковый видовой состав (кроме цианобактерий), численность каждого члена сообщества в формирующейся биоплёнке сильно различалась. Это говорит о том, что специфические взаимодействия между цианобактериями и гетеротрофами создают разные сети взаимодействий. Эти сети, вероятно, формируют схожие, но уникальные ниши, которые поддерживают разную численность популяций каждого гетеротрофа.

Также выяснилось, что скорость роста автотрофов доминирует на ранних стадиях сборки сообщества, но уступает скорости роста гетеротрофов на поздних стадиях. Хотя видовой состав гетеротрофов в обоих консорциумах был схож, популяционная динамика разных видов значительно варьировалась по мере созревания биоплёнок. Это указывает на то, что ниши, создаваемые метаболизмом цианобактерий, достаточно широки, чтобы удерживать одни и те же виды, но результирующие сети взаимодействий автотроф-гетеротроф и гетеротроф-гетеротроф в каждом консорциуме, вероятно, различны.

"Разные первичные продуценты, вероятно, взаимодействуют с гетеротрофными консументами сходным, но уникальным образом. Эти различия будут иметь каскадный эффект на взаимодействия между гетеротрофными членами", — поясняет Линдеманн.

Подобные различия в сетях взаимодействий между двумя сообществами, вероятно, создают в каждом из них уникальные ниши, поддерживают разную численность видов-членов и влияют на общие функции и свойства сообщества.

Команда PNNL определила видовой состав и изучила пространственную структуру и сукцессию фотогетеротрофов в уницианобактериальных консорциумах по мере сборки в биоплёнки. Ранние исследования были ограничены учётом популяций культивируемых организмов.

"Секвенирование нового поколения значительно расширило наши возможности по всесторонней характеристике состава сообщества, а молекулярный количественный анализ на уровне видов позволяет оценить численность гетеротрофов независимо от культивирования", — отмечает Линдеманн.

Интересно, что хотя в каждом консорциуме первичными продуцентами были разные цианобактерии, оба сохранили один и тот же набор гетеротрофных видов.

В дальнейшем команда планирует подвергнуть консорциумы воздействию изменяющихся условий (таких как вариации солёности, света, температуры или доступности определённых питательных веществ), чтобы изучить, как это повлияет на структуру и состав формирующихся биоплёнок.