Отслеживание микробного разнообразия в континентальной подземной среде

Глубоко под землей существует кишащая микробная жизнь, большая часть которой еще не охарактеризована. Отрезанные от солнечного света, эти загадочные организмы получают необходимую для жизни энергию и углерод другими способами.

Ключевой вопрос — как эти организмы и их функции в циклах углерода, азота и серы распределены по вертикали под землей. Водные системы изучать проще, но для континентальной среды сложно получить образцы без загрязнения от буровых растворов или оборудования.

В сотрудничестве с командой Джилл Бэнфилд (Калифорнийский университет в Беркли) и Кэти Райан (Университет Калгари, Канада) исследователи из Объединенного института геномики Министерства энергетики США изучили образцы, собранные во время сложного пятидневного цикла извержения гейзера Кристал в Юте. Интеграция методов геномной метагеномики, геномики одиночных клеток и геохимического анализа показала, что образцы каждой фазы содержат микробные сообщества, уникальные по составу и метаболической функции. Результаты опубликованы 29 января 2018 года в Nature Microbiology.

По словам Бэнфилд, ключевое достижение — прямое связывание новых групп организмов с их подземными источниками с помощью методов, не требующих культивирования. Это стало возможным благодаря беспрецедентному сочетанию геномных методов с геохимией и гидрологической информацией. Также важно, что основные методы микробной экологии — геномная метагеномика и геномика одиночных клеток — были применены к одним и тем же образцам для сравнения.

Гейзер Кристал в бассейне Парадокс (Юта) — это холодный CO₂-driven гейзер, питаемый серией подземных водоносных горизонтов, разделенных слоями сланца и аргиллита. Его пятидневный цикл включает три фазы: малые извержения, крупные извержения и восстановление. В каждой фазе сообщества микроорганизмов происходили из грунтовых вод разных интервалов глубины.

«Для микробиологии и геохимии это уникальная система: через свой цикл гейзер питается из разных водоносных горизонтов, и через извержения можно получить доступ к стратифицированной системе и поднимающимся микробам», — отметила Таня Войке, руководитель программы микробной геномики JGI.

Исследование глубокой континентальной подземной среды

Предыдущие работы группы Бэнфилд указывали на огромное филогенетическое разнообразие ранее неизвестных бактерий и архей в этой системе, включая глубоко ветвящиеся организмы из Candidate Phyla Radiation (CPR) и супертипа DPANN экстремофильных архей (Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanoarchaeota, Nanohaloarchaea).

«Гейзер Кристал предоставляет уникальные условия для исследования подземной среды, а объединение наших гидрогеохимических и микробиологических данных привело к увлекательным открытиям о том, что происходит там внизу», — сказала Бетани Лэдд, соавтор исследования и бывшая аспирантка Райан.

«Экосистемы в глубокой континентальной подземной среде представляют собой последний рубеж в исследовании разнообразия жизни на нашей планете. Мало что известно о том, как устроены эти экосистемы и как организмы в этих условиях выживают без солнечного света», — добавил соавтор Александр Пробст, бывший постдок в лаборатории Бэнфилд.

В данном исследовании были реконструированы геномы 505 различных бактериальных и архейных организмов из 104 различных линий на уровне типа, включая девять потенциально новых типов. Примерно 57% организмов были значительно обогащены в определенной фазе цикла извержения гейзера и, следовательно, могли быть привязаны к конкретному интервалу глубины грунтовых вод.

Сообщество мелких грунтовых вод состояло в основном из одного вида Sulfurimonas, с несколькими другими бактериями и археями. Большинство микробов на промежуточных глубинах и связанных с самим гейзером принадлежали к CPR, но наиболее распространенным был представитель Gallionellaceae. В самых глубоких грунтовых водах была наибольшая концентрация архей DPANN и Candidatus "Altiarchaeum" — примечательной археи с миниатюрными крючками на поверхности клетки.

Как функционируют эти огромные сети

Предполагается, что многие из этих подземных микробов являются симбиотическими. Недостаток ресурсов в окружающей среде заставляет их больше полагаться друг на друга для выживания. Организмы, способные генерировать энергию за счет химических реакций (например, окисления водорода или железа) и использовать ее для синтеза углерода, считаются «первичными продуцентами», которые поддерживают остальные бактерии и археи в своих сообществах.

Группа Бэнфилд ранее также сообщала, что организмы в системе гейзера Кристал используют три различных механизма фиксации углерода. В текущем исследовании механизм с наивысшими энергетическими затратами был связан с сообществом мелких грунтовых вод, а механизм с наименьшими затратами — с сообществом глубоких грунтовых вод.

Более того, как отметил Пробст, анализ выявил геномы сотен предполагаемых симбиотических организмов, включая потенциального симбионта одной из самых распространенных архей в этих подземных флюидах — археи, которая связывает CO₂ в подземной среде и преобразует его в органическое вещество.

«Теперь, когда у нас есть такие большие наборы данных, мы можем начать пытаться распутать, как функционируют вместе эти огромные сети», — сказала Войке.