Гамма-лучи быстро повышают устойчивость азотфиксирующих бактерий к жаре

Создание жаростойких биоудобрений для помощи сельскохозяйственным культурам в условиях потепления климата было медленным и неопределённым процессом. Новое исследование Национальных институтов квантовой науки и технологий (QST) показывает, что сочетание экспериментальной эволюции с контролируемым гамма-облучением может ускорить получение термоустойчивых азотфиксирующих бактерий. Это сокращает сроки разработки и открывает практические пути к созданию более надёжных, готовых к изменению климата микробных продуктов для сельского хозяйства, пищевой промышленности, фармацевтики и производства биотоплива.

Исследование было опубликовано в журнале Mutation Research—Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis.

Команда сосредоточилась на бактерии Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110, которая помогает сое и другим бобовым фиксировать азот. Дикий тип лучше всего растёт при ~32–34 °C и останавливает рост при ~36 °C. Исследователи QST постепенно повышали температуру культивирования с 34 °C до 37 °C в течение 76–83 дней и десять раз облучали популяции определёнными дозами, после чего отбирали линии, продолжавшие формировать устойчивые колонии при 36 °C.

Обнаружилась чёткая «золотая середина»: доза около 40 Гр давала наибольшее количество стабильных, термоустойчивых линий. Более высокие дозы (80–120 Гр) изначально давали больше устойчивых линий, но с меньшими колониями и признаками, которые исчезали при ослаблении отбора, что согласуется с избытком вредных мутаций. Метод позволяет регулировать мутационную нагрузку, чтобы благоприятствовать полезным изменениям, сохраняя общую жизнеспособность организма.

Геномный анализ лучших линий выявил изменения в двух ключевых генах в независимо эволюционировавших линиях: гене 16S рРНК, центральном для аппарата синтеза белка, и гене rpoC, кодирующем β-субъединицу РНК-полимеразы. Конвергентные мутации в таких важных системах указывают на механизмы, которые помогают бактериальной транскрипции и трансляции плавно продолжаться в условиях теплового стресса — именно то, что необходимо промышленности для высокотемпературных процессов.

«Сочетая адаптивную лабораторную эволюцию с точно повторяемыми дозами гамма-лучей, мы сократили путь к получению устойчивых, термостойких бактерий с месяцев или лет до всего нескольких недель», — сказал доктор Ёсихиро Хасе, руководитель проекта в Институте передовой квантовой науки Такасаки (TIAQ), QST. — «Это практический инструмент для повышения надёжности биоудобрений на более жарких полях и в биореакторах».

«Этот контролируемый мутагенез позволяет избежать трансгенных модификаций и может быть настроен для максимизации полезных изменений при ограничении генетической нагрузки», — добавил доктор Кацуя Сато, старший главный исследователь в TIAQ. — «Мы видим путь, который промышленность может безопасно принять для повышения устойчивости и продуктивности».

Помимо сельского хозяйства, этот подход может быть обобщён для дрожжей, бактерий и микроводорослей, используемых в пищевой промышленности, производстве терапевтических препаратов и биотоплива — помогая получать высококачественную продукцию с меньшими экологическими затратами. В долгосрочной перспективе QST прогнозирует создание сверхдешёвых систем культивирования микроводорослей и других термоустойчивых платформ, способствующих продовольственной и энергетической безопасности.