Грязные, покрытые коркой блюда для (долго спящих) микробов
В пустынях и других засушливых регионах микробы часто образуют на почве тонкие верхние слои, известные как биокорки. Они ведут себя подобно Рипу Ван Винклю: уходят от стрессовой среды в долгий сон, а пробуждаются в изменившемся мире. Микробы в биокорках находятся в состоянии покоя, пока осадки (например, внезапный ливень) не пробудят их. Изучение взаимодействий внутри микробных сообществ (микробиомов) биокорок и их адаптаций к суровым условиям может дать важные подсказки для понимания роли почвенных микробов в глобальном углеродном цикле.
«В рамках миссии Министерства энергетики (DOE) по изучению сложностей углеродного цикла мы используем систему биокорок, чтобы исследовать специфические метаболиты в почве и то, как микробы используют эти соединения», — сказал Трент Нортен, учёный из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Института совместных геномных исследований DOE (DOE JGI). «Растворённый органический углерод (DOC) и почвенные микробы обычно изучаются как широкие группы, а мы хотели изучить конкретную взаимосвязь между разнообразием почвенных метаболитов и разнообразием микробов».
В исследовании, опубликованном 22 сентября 2015 года в Nature Communications, команда под руководством Нортена использовала семь бактериальных изолятов из пустынных биокорок, включая цианобактерию Microcoleus vaginatus (секвенированную DOE JGI). Изоляты выращивали на «виртуальном шведском столе» из почти 500 соединений-метаболитов, пока они не переставали расти. Исследователи применили набор инструментов «экзометалоболомики», который использует возможности современных методов масс-спектрометрии для количественного измерения того, как каждый микроб и сообщество биокорок трансформируют сложные смеси метаболитов из почвы.
Пиршество сообщества: шведский стол биокорки
«Традиционно исследователи применяли широкие категории при изучении почвенного углерода и микробов, — сказал Нортен. — Но микробы на «шведском столе» биокорок едят не одно и то же; мы обнаружили, что каждый из них использует разные фракции DOC, поэтому для потребления всего «стола» требуется сообщество».
«Мы были удивлены, обнаружив, что разнообразные изученные микробы нацелены на специфические метаболиты, где отдельные изоляты использовали лишь небольшой диапазон — 13–26% — метаболитов», — говорит первый автор исследования Ричард Баран. Ещё более удивительным для команды было отсутствие перекрытия в предпочтениях микробов: лишь несколько метаболитов потреблялись всеми.
«Это может быть важным механизмом поддержания разнообразия микробов в почве, — сказал Нортен. — Если каждый тип микробов нацелен на уникальные метаболиты, они могут избежать чистой конкуренции через специализацию, но в совокупности метаболизируют сложные пулы углерода. Потребляя разные «блюда» из меню, метаболиты могут помогать поддерживать большее микробное разнообразие».
Ещё одно наблюдение: во многих случаях метаболиты, выделяемые одним микробом, потребляются другим. Это открытие предполагает существование в микробиомах биокорок пищевой сети, где отдельные микробы могут зависеть друг от друга в получении специфических метаболитов. «По сути, микробы не будут есть «ланч» друг друга, если зависят от соседа в получении конкретного метаболита», — пояснил Нортен этот возможный механизм поддержания биоразнообразия почвы.
Связь геномики с микробным метаболизмом
Хотя биокорки, изученные в этой работе, представляют довольно простую модель, команда планирует применять экзометалоболомику к более сложным почвенным системам и большему числу микробов. «Мы действительно пытаемся определить, какова связь между разнообразием метаболитов и микробным разнообразием? Каковы конкретные соединения и как они трансформируются конкретными микробами. Это и есть экзометалоболомика», — сказал Нортен.
Долгосрочная цель команды — развить экзометалоболомику как прогностический инструмент. Связывая данные секвенирования с циклом углерода в почве, исследователи могли бы, например, взять метагеном и предсказать, какие метаболиты присутствуют в среде.
«Это новое применение метаболомики в микробной экологии особенно интересно, — сказал Ферран Гарсия-Пичель, декан отделения естественных наук Колледжа свободных искусств и наук Университета штата Аризона и один из старших авторов статьи, — потому что оно открывает потенциал для прямой связи современных достижений геномики с традиционными знаниями о микробном метаболизме, добавляя ценности обоим».