У морских микробов обнаружено замечательное генетическое разнообразие
Самый маленький и многочисленный морской микроб, Prochlorococcus, — это вид фотосинтезирующих бактерий, жизненно важный для морской экосистемы. По оценкам, в океанах обитает октиллион (миллиард миллиардов миллиардов) этих одноклеточных существ. Они формируют основу морской пищевой цепи и занимают множество экологических ниш в зависимости от предпочтений к температуре, свету, химическим условиям и взаимодействий с другими видами. Однако полный масштаб и характеристики разнообразия внутри этого одного вида остаются загадкой.
Чтобы исследовать этот вопрос, учёные из Департамента гражданского и экологического строительства (CEE) Массачусетского технологического института (MIT) провели поштучный геномный анализ дикой популяции Prochlorococcus, живущей в одном миллилитре — менее четверти чайной ложки — морской воды. Они обнаружили сотни различных генетических субпопуляций.
Каждая субпопуляция в этих нескольких каплях воды характеризуется набором аллелей основных генов, связанных с несколькими гибкими генами. Учёные MIT называют эту комбинацию «геномным каркасом» (genomic backbone), который наделяет субпопуляцию тонко настроенной приспособленностью к конкретной экологической нише. Разнообразие также существует внутри субпопуляций с общим каркасом: большинство отдельных клеток в изученных образцах несли по крайней мере один набор гибких генов, не найденный ни в одной другой клетке своей субпопуляции.
Салли Чисхолм, профессор экологических исследований имени Ли и Джеральдин Мартин в CEE и Департаменте биологии MIT; бывший постдок CEE Надав Каштан и соавторы опубликовали статью об этой работе в выпуске журнала Science от 25 апреля.
Исследователи оценивают, что субпопуляции разошлись по крайней мере несколько миллионов лет назад. Каркас — это более старая, медленно эволюционирующая часть генома, в то время как гибкие гены находятся в областях генома, где обмен генами происходит относительно часто, что способствует более быстрой эволюции.
Исследование также показало, что относительная численность субпопуляций с разными каркасами меняется в зависимости от сезона в районе исследования, недалеко от Бермудских островов. Это укрепляет аргумент о том, что каждая субпопуляция тонко настроена для оптимального роста в различных условиях.
«Ошеломляет сама мысль о колоссальном разнообразии, которое должно существовать среди октиллиона клеток Prochlorococcus, живущих в морях, — говорит Чисхолм. — Это создаёт устойчивую и стабильную популяцию перед лицом нестабильности окружающей среды».
Океаническая турбулентность также играет роль в эволюции и разнообразии Prochlorococcus: модель механики жидкости предсказывает, что в типичном океаническом течении только что разделившиеся дочерние клетки быстро разносятся, оказываясь на расстоянии сантиметров друг от друга за минуты, десятков метров за час и километров за неделю.
«Интересный вопрос: "Почему существует такой разнообразный набор субпопуляций?" — говорит Каштан. — Огромный размер популяции Prochlorococcus предполагает, что это замечательное разнообразие и способ его организации не случайны, а являются шедевром естественного отбора».
Чисхолм и Каштан говорят, что эволюционное и экологическое различие между субпопуляциями, вероятно, распространено среди других диких, свободноживущих (не прикреплённых к частицам или другим организмам) видов бактерий с большими популяциями и сильно перемешанными местами обитания.
«Это исследование, возможно, устанавливает рекорд прогресса в микробиологии, достигнутого благодаря анализу всего трёх капель морской воды», — говорит Рамунас Степанаускас из Лаборатории Бигелоу по океанологическим наукам в Бутбей, штат Мэн, который работал над геномным анализом.