Океанские микробы раскрывают глобальное распределение азотфиксаторов

Азот — один из основных строительных блоков жизни. Он составляет 80% атмосферы Земли и является одним из важнейших лимитирующих рост питательных веществ как для наземных, так и для морских растений. Это связано с тем, что наиболее распространенная форма азота — молекулярный азот (N₂) — очень стабильна и устойчива к химическим реакциям, поэтому большинство организмов не могут его усваивать. Учитывая важную роль азота во всей живой материи, микробы, способные «фиксировать» атмосферный N₂ в более доступные для организмов формы, являются ключевыми компонентами экосистем Земли.

Изучение морской азотфиксации дает ключевые данные

Азотфиксаторы, или диазатрофы, — это природные удобрения. На суше более 90% фиксации азота осуществляют бактерии, живущие в симбиозе с различными растениями. Эти системы изучены подробно, отчасти потому, что процесс важен для современного сельского хозяйства. Но в океане происходит как минимум столько же фиксации азота, сколько и на суше, — и этот процесс гораздо менее изучен. Азот — ключевой фактор динамики планктона, а значит, и глобальных биогеохимических циклов и климата. Создав более четкую картину азотфиксаторов в океане, ученые могут получить ценную информацию об экосистемах, испытывающих антропогенные изменения.

Морские азотфиксаторы сильно различаются по форме и размеру, что затрудняет их сбор и изучение. Есть и более очевидная проблема — огромные размеры океана. «Здесь в игру вступает Фонд Tara Ocean и связанные с ним проекты, основанные на отборе проб морских планктонных сообщений по всему мировому океану в беспрецедентном масштабе», — отмечает Крис Боулер, ученый CNRS из Института биологии Высшей нормальной школы (IBENS) в Париже, соавтор новой статьи, посвященной работе международного исследовательского сотрудничества.

Масштабный отбор проб и анализ

В исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые изучили глобальное распределение морских азотфиксаторов. Работая с более чем 2 миллионами изображений, полученных в ходе экспедиции Tara Oceans с 2009 по 2013 год, команды значительно расширили знания об abundance, разнообразии и распределении азотфиксаторов в океане. Исследовательская шхуна Tara прошла 140 000 км за 38 месяцев по основным океаническим регионам. За это время ученые на борту систематически собирали пробы планктона всех размеров, а также соответствующие данные об окружающей среде.

Используя собранные данные, исследователи применили инструменты машинного обучения для анализа более двух миллионов изображений в сочетании с данными секвенирования ДНК. Соавтор Эрик Пеллетье из французского Национального центра секвенирования CEA/Genoscope отмечает: «Это один из первых крупномасштабных высокопроизводительных анализов, в котором были связаны омиксные данные (информация о геномах) и данные визуализации (форма и размер) микробных организмов в дикой природе, что открывает новую эру в экологических исследованиях».

Эта работа демонстрирует силу совместных исследований и масштабы, которые можно охватить с помощью современных подходов. Центр передовой световой микроскопии EMBL сыграл ключевую роль в проекте. Соавтор и директор по основным научным объектам и научным услугам EMBL Райнер Пепперкок подчеркнул важную роль центра в будущих исследованиях: «Высокопроизводительная, высокоразрешающая 3D-световая микроскопия, разработанная совместно с ALMF и учеными консорциума TARA oceans, была центральной для этой работы. Это было необходимым условием для получения миллионов высококачественных изображений морских образцов — невероятно ценного ресурса, — за которым последовал комплексный анализ, описанный в статье. Мы развиваем этот подход несколькими способами, что позволит проводить еще более глубокий анализ в будущих исследованиях».

Рэйчел Фостер из Стокгольмского университета, соавтор исследования, добавляет: «Сначала я была удивлена тем, насколько хорошо изображения предсказывают гены, а гены — изображения. Планктон естественным образом распределен пятнами, и отбор проб из этих "пятен" сложен. Высокопроизводительные наборы данных визуализации были необходимы в нашей работе. Мы получили важное представление об экологии этих популяций, имеющих биогеохимическое значение».

Понимание антропогенных изменений

Помимо создания гораздо более полной картины, чем существовала ранее, исследование выявило новые обильные «горячие точки» в малоизученных океанических регионах, где, по-видимому, сосуществуют несколько азотфиксаторов. Ведущий автор Хуан Пьерелла Карлусич из французского IBENS комментирует: «Эти результаты продвинут область исследований, привлекая внимание к этим новым регионам с высокой плотностью и новым типам азотфиксаторов. Например, мы были очень удивлены, обнаружив ультрамалые, но многочисленные бактерии, которые, по-видимому, способны фиксировать азот, а также другие симбиотические ассоциации, ранее обнаруженные только в пресноводных средах».

Помимо понимания глобального распределения азотфиксаторов, эта работа также представляет собой доказательство концепции, что интегративный анализ молекулярных данных и данных визуализации может привести к более точному исследованию океанских микробов. Такие исследования предоставляют ценную информацию, касающуюся таких факторов, как климат, и того, как на экосистемы влияет деятельность человека.