Новые группы бактерий и поразительное разнообразие, обнаруженные под землей

Одно из самых детальных геномных исследований любой экосистемы на сегодняшний день выявило подземный мир поразительного микробного разнообразия и добавило десятки новых ветвей на древо жизни.

Это бактериальное изобилие — результат работы ученых, которые восстановили геномы более 2500 микробов из образцов осадка и грунтовых вод, собранных в водоносном горизонте в Колорадо. Исследование возглавляли ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли. Секвенирование ДНК было выполнено в Объединенном институте генома (Joint Genome Institute).

Как сообщается 24 октября в журнале Nature Communications, ученые получили геномы, представляющие 80% всех известных бактериальных типов (phyla), что демонстрирует замечательную степень биологического разнообразия в одном месте. Они также открыли 47 новых групп бактерий на уровне типа, назвав многие из них в честь влиятельных микробиологов и других ученых. Кроме того, они получили новое представление о том, как микробные сообщества работают вместе, управляя процессами, критически важными для климата планеты и жизни повсеместно, такими как циклы углерода и азота.

Эти результаты проливают свет на одну из самых важных и наименее изученных сфер жизни на Земле. Подземный мир содержит до одной пятой всей биомассы, но остается загадкой.

Ученые провели метаболический анализ 36% организмов, обнаруженных в водоносной системе. Они сосредоточились на явлении «метаболической передачи» (metabolic handoff), которое означает, что отходы одного микроба — пища для другого. Лабораторные исследования показывали, что такие передачи необходимы для некоторых реакций, но в реальном мире эти взаимосвязанные сети распространены гораздо шире и сложнее.

Ученые обнаружили, что циклы углерода, водорода, азота и серы управляются метаболическими передачами, требующими неожиданно высокой степени взаимозависимости микробов. Подавляющее большинство микроорганизмов не могут полностью восстановить соединение самостоятельно. Для этого нужна команда. Также существуют резервные микробы, готовые выполнить передачу, если микробы «первого состава» недоступны.

Исследование является частью проекта Sustainable Systems Scientific Focus Area 2.0, целью которого является создание прогностического понимания наземных сред — от генома до масштаба водосбора. Полевые исследования проходят на участке недалеко от города Рифл в Колорадо.

Ученые отправили образцы почвы и воды на масштабное метагеномное секвенирование в Объединенный институт генома. Затем они использовали биоинформатические инструменты, разработанные в лаборатории Джилл Бэнфилд, для анализа данных.

Их подход перерисовал древо жизни. С учетом 47 новых бактериальных групп, о которых сообщается в этой работе, и 35 новых групп, опубликованных в прошлом году (также обнаруженных на участке Рифл), команда Бэнфилд удвоила количество известных бактериальных групп.

С открытием приходит право давать имена. Ученые назвали многие новые группы бактерий в честь исследователей из Berkeley Lab и UC Berkeley. Например, есть Candidatus Andersenbacteria (в честь изобретателя филочипа Гэри Андерсена) и Candidatus Doudnabacteria (в честь пионера редактирования генома CRISPR Дженнифер Дудны).

Еще одним важным результатом стало более глубокое понимание роли подземных микробов в глобально важных циклах углерода, водорода, азота и серы. Эта информация поможет лучше представить эти циклы в прогностических моделях, таких как климатические симуляции.