Когда морщинистость — преимущество: бактерии с морщинистым видом лучше всего приспособлены к организму-хозяину
Многоклеточные организмы живут в тесной связи с разнообразными микроорганизмами, образуя метаорганизм. Исследователи из Кильского университета в рамках Collaborative Research Center (CRC) 1182 изучают, как микробы адаптируются к хозяину.
Команда из группы эволюционной экологии и генетики использовала эксперименты по эволюции и генетический анализ, чтобы исследовать адаптацию бактерии Pseudomonas lurida при переходе от свободноживущего образа жизни к симбиотическому в организме нематоды Caenorhabditis elegans.
Симбиоз как выгодная стратегия для бактерии
В ходе экспериментов бактерии P. lurida, живущие свободно на агаровых пластинах, могли ассоциироваться с C. elegans в течение одного поколения червя. Цикл колонизации хозяина и возврата на пластины повторяли на протяжении десяти поколений червей.
- Используя экспериментальную эволюцию, исследователи вырастили бактерии, адаптированные к жизни в хозяине.
- Адаптация стала очевидной по морщинистой морфологии колоний ("Wrinkly" фенотип) на питательной среде.
- Этот фенотип доминировал по численности.
- Адаптированные бактерии колонизировали хозяина быстрее, сохранялись с большей вероятностью, но также могли эффективно вернуться к свободноживущему циклу.
- Они демонстрировали более низкую подвижность (мотильность) в свободноживущем цикле.
Эта совокупность адаптаций представляет собой экологическую стратегию, выгодную для бактерии, позволяя специалистам по хозяину успешно колонизировать несколько хозяев подряд и в целом преобладать над исходным, предковым штаммом.
Генетический переключатель контролирует адаптацию к хозяину
Полногеномное секвенирование адаптированных морфотипов бактерии и сравнение с исходным типом выявило специфические мутации генов.
- Два мутировавших гена связаны с Wsp-системой бактериальных клеток — сенсорной системой, воспринимающей сигналы среды.
- У адаптированных бактерий мутация этих генов приводит к повышению уровня клеточного мессенджера c-di-GMP.
Чтобы проверить причинно-следственную связь, исследователи манипулировали соответствующими генами у неадаптированных бактерий P. lurida. После этого бактерии проявили фенотипические и функциональные адаптации к ассоциации с хозяином. Подобные генетические изменения были обнаружены и у других видов Pseudomonas, живущих в хозяевах.
Таким образом, c-di-GMP был идентифицирован как общий регуляторный переключатель для установления ассоциации с хозяином у разных видов Pseudomonas.
Эволюция микроорганизмов как драйвер симбиозов
- Ранее c-di-GMP был известен в основном как регулятор вирулентности у различных патогенов. Новые результаты показывают, что он важен для адаптации к хозяину в более широком смысле — независимо от того, является ли микроб патогеном или полезным симбионтом.
- Экспериментальная эволюция бактериальных симбионтов C. elegans представляет собой идеальную модель для выяснения фундаментальных механизмов взаимодействия хозяина и микроба.
Исследование опубликовано в журнале Nature Microbiology.