Секреты географии микробных сообществ Земли
Об авторе
Андрей Владимирович Якушев — кандидат биологических наук, младший научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Область научных интересов — экология почвенных микроорганизмов, изучение временных микробных ассоциаций, возникающих в ходе зоомикробных, микробно-растительных, межмикробных взаимодействий в почве.
Общеизвестно, что в наземных экосистемах тропиков (особенно в дождевых лесах) разнообразие животных и растений выше, чем в других климатических поясах нашей планеты. Служат ли и почвы этих биотопов столь же богатым хранилищем разнообразных и уникальных микроорганизмов? Ответ на этот вопрос имеет и фундаментальное, и прикладное значение, так как исследователям-микробиологам необходимо знать, в почвах каких природных зон стоит искать новые виды бактерий или грибов для их использования в биотехнологии (например, для производства новых антибиотиков). Но глобальные закономерности географии распространения микроорганизмов изучены пока довольно слабо. Поэтому в последние десятилетия специалисты прикладывают немало усилий для того, чтобы разобраться в этом непростом вопросе. Чрезвычайно информативными оказались молекулярно-генетические методы, которые не требуют выделения и культивирования микробов (в частности, метагеномный анализ их сообществ, т.е. изучение совокупности всех находящихся в исследуемом образце генов по извлеченной из него ДНК). Благодаря данному подходу сегодня можно составить картину распространения в почвах Земли микроорганизмов и генов, отвечающих за выполнение микроорганизмами биосферных функций.
В поиске глобальных подробностей
Для тех, кто бьется над разгадкой секретов микробиома почв, интересной оказалась статья международной исследовательской группы Мухаммеда Бахрама (Тартуский университет, Эстония), опубликованная в журнале Nature в октябре 2018 г. [1]. Работа коллег посвящена влиянию факторов окружающей среды на таксономический состав микробных сообществ и распространение генов грибов и бактерий в образцах верхних горизонтов зональных (не нарушенных человеком) почв Земли (рис. 1). Названные группы микроорганизмов в наибольшей степени влияют на основные биогеохимические процессы.
Рис. 1. Результаты анализа метагеномных данных о грибных и бактериальных сообществах почв Земли методом многомерного шкалирования (по [1]). Проанализированы следующие показатели: а — таксономический состав бактериальных сообществ, б — таксономический состав грибных сообществ, в — состав функциональных генов бактериальных сообществ, г — состав функциональных генов грибных сообществ. Стрелками показана направленность увеличения значения фактора (признака данного типа почв или природно-климатической зоны). CГТ — среднегодовая температура; СГО — среднегодовые осадки
Авторы впервые обобщили результаты метагеномного анализа почв большинства природных зон. Видовую принадлежность бактерий ученые определяли по видоспецифическим участкам гена, кодирующего синтез 16S * pРНК — одной из трех молекул РНК, расположенной на малой субъединице рибосомы. Грибы идентифицировали по фрагментам гена 18S РНК и ITS — некодирующей нуклеотидной последовательности ДНК, которая разделяет гены рибосомных РНК.
Примечательно, что выводы, приведенные авторами глобального исследования, традиционны, т.е. в целом подтверждают классические научные представления. Так, отмечено, что условия окружающей среды влияют на состав микробных генов сильнее, чем географическое местоположение; в условиях умеренного климата бактериальное генетическое разнообразие выше грибного; грибы и бактерии занимают разные экологические ниши, так как зависимость их разнообразия от количества атмосферных осадков и рН почвы неодинакова. Кроме того, ученые выявили положительную корреляцию обилия бактериальных генов устойчивости к антибиотикам и обилия грибов, а это свидетельствует о том, что антагонизм между названными группами микроорганизмов сильно влияет на микробные сообщества верхних горизонтов почв (рис. 2). Наконец, вполне тривиальным кажется следующий вывод: межвидовая конкуренция и факторы окружающей среды во многом определяют обилие, состав и функции бактериальных и грибных сообществ.
Рис. 2. Характер расселения микроорганизмов в почве и взаимодействие грибной и бактериальной составляющих почвенного микробиома можно хорошо представить, рассматривая под микроскопом пластинки обрастания Росси — Холодного (в данном случае заложенные в кленовый опад Ботанического сада МГУ). На фотографиях показаны ассоциация почвенных бактерий, разлагающих мертвый грибной мицелий (а, б), и микроколонии прокариот, ассоциированные с живыми спорами гриба (в, г). Прижизненная окраска клеток прокариот проведена: а — флюоресцентным красителем Syto 9; б–г — флюоресцентным красителем акридином оранжевым
Однако, анализируя полученные данные с позиции влияния условий окружающей среды на почвенные микробные сообщества, исследователи не увидели некоторых глобальных закономерностей в составе микробиомов разных природных зон, так как это не входило в задачи исследования. Между тем результаты анализа метагеномных данных методом многомерного шкалирования ** позволили выявить степень сходства таксономического состава и функциональных генов бактериального и грибного почвенных сообществ в разных природно-климатических поясах Земли (см. рис. 1).
Иногда данные говорят сами за себя
Анализ рис. 1, а позволяет сделать вывод, что бактериальные комплексы почв Земли подразделяются на две глобальные группы (тропическую и внетропическую), между которыми есть принципиальные различия, связанные с особенностями таксономического состава. Грибные же почвенные комплексы по таксономическому составу подразделяются уже на три глобальные группы: сообщества влажных тропиков, сухих тропиков, внетропической зоны (рис. 1, б). Комплексы функциональных генов микроорганизмов различаются не так сильно, как таксономический состав их сообществ (рис. 1, в, г). Но все же в тропических почвах набор генов, ответственных за биосферные функции бактерий и грибов, имеет особые черты, не совпадающие с тем, что мы видим во внетропических почвенных микробных комплексах.
Причины глобального отличия почвенных микробных сообществ тропиков от внетропических пока не изучены, так как Бахрам с соавторами не рассматривали графики в подобном аспекте. К каким же заключениям можно прийти, анализируя приведенные в статье данные? Прежде всего, обнаруженная картина не обусловлена варьированием обилия типов бактерий и классов грибов, населяющих тропические и все прочие природно-климатические пояса Земли; нет связи и с генетическим разнообразием грибов и основными метаболическими путями бактерий. Особенно важно отметить, что в тропиках (даже в дождевых лесах) таксономическое и генетическое грибное и бактериальное разнообразие не намного богаче, чем во внетропических зонах (рис. 3). В чем же секрет глобальных различий микробных сообществ почв, функционирующих в этих биоклиматических условиях? Скорее всего — в существовании специфичных для тропического пояса видов или родов микроорганизмов и конкретных генов. Как говорится, дьявол прячется в деталях.
Рис. 3. Изменение грибного и бактериального разнообразия в зависимости от широты региона. Условные обозначения те же, что на рис. 1 (по [1]). Зоны: 1 — тропическая; 2 — умеренная; 3 — бореальная и арктическая
Несомненно, сильная сторона работы коллег — в том, что они детально изучили, как именно разнообразие бактериальных генов устойчивости к антибиотикам связано с действующими на микробные сообщества биотическими и абиотическими факторами (к сожалению, грибы в этом аспекте не оценивали). Особый интерес вызывает график корреляционной тепловой карты (рис. 4), отражающей взаимосвязь между количеством генов антибиотикоустойчивости и разнообразием типов микроорганизмов. Авторы заключили, что обилие таких генов растет при увеличении разнообразия грибов, в первую очередь сумчатых (особенно тех групп, среди представителей которых много продуцентов антибиотиков).
Рис. 4. Корреляционная тепловая карта для генов антибиотикоустойчивости основных типов почвенных грибов (выделено жирным шрифтом) и бактерий (по [1], с изменениями — график разделен на четыре сектора, пояснение в тексте).
Со своей стороны отмечу: в массиве данных, представленных коллегами (рис. 4), выделяются две группы функциональных генов и две группы филумов (типов) микроорганизмов, о которых следует сказать особо. Число бактериальных генов резистентности к антибиотикам, относящихся к первой группе, положительно коррелирует с количеством не только грибов, но и бактерий, относящихся к самым распространенным в почве типам (Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria, Plactomycetes, Сyanobacteria, Bacteroides, Firmicutes), и отрицательно коррелирует с обилием редких для почвы типов бактерий (Nitrospiraе, Verucomicrobia, Chloroflexi, Aquificea и др.). А для бактериальных генов антибиотикоустойчивости, принадлежащих ко второй группе, складывается противоположная картина корреляции. О чем это может свидетельствовать? По-видимому, упомянутые группы бактерий имеют взаимоисключающие спектры генов устойчивости к антибиотикам. Однако причина явления пока не ясна. Может быть, эти группы занимают в почве разные микроместообитания, с разными «соседями», и для обороны им нужны совершенно особые гены? Но без детального анализа состава последних судить о механизмах трудно.
К тому же не будем забывать, что формальное установление корреляции между признаками еще не означает доказательства причинно-следственных связей. Несомненно, их детальный анализ — предмет дальнейших исследований, в которых было бы очень интересно принять участие.
Статья подготовлена в рамках темы госзадания № 115122210098-2 «Роль геохимической деятельности почвенных микроорганизмов в поддержании стабильности наземных экосистем».
Литература
1. Bahram M., Hildebrand F., Forslund S. K. et al. Structure and function of the global topsoil microbiome // Nature. 2018; 560 (7717): 233–237. DOI: 10.1038/s41586-018-0386-6.
* Единица измерения S (сведберг) — это отношение скорости осаждения частиц в воде к центробежному ускорению в центрифуге.
** Многомерное шкалирование — метод математического анализа данных, определяющий направления (оси), вдоль которых наблюдается наибольшее расстояние между объектами исследования (микробными комплексами почв) в многомерном пространстве, где каждое измерение — это один из используемых в анализе параметров (ОТЕ или ген). Биологический смысл осей определяется по силе их корреляции с этими параметрами или другими показателями, которые потенциально могут влиять на объекты исследования (рН почвы, С/N и т.д.). Метод позволяет получить наглядный двухмерный график сходства и различий между собой объектов исследования (микробных сообществ) по большому числу характеризующих их параметров.
Источник