Взаимодействия между представителями разных видов, приносящие пользу обеим сторонам, встречаются повсюду - от обмена между опылителями и растениями, которые они опыляют, до симбиотических взаимодействий между нами и нашими полезными микробами.
Естественный отбор - процесс, при котором организмы, лучше приспособленные к окружающей среде, имеют тенденцию выживать и производить больше потомства - предсказывает, однако, что мутуализм должен развалиться. Люди, которые выигрывают от сотрудничества с другими, но не отвечают взаимностью (так называемые мошенники), должны возникать и дестабилизировать мутуализм. Однако на сегодняшний день существует на удивление мало свидетельств такого мошенничества или дестабилизации.
Группа биологов из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружила веские доказательства этого мошенничества. Сосредоточившись на взаимодействии между азотфиксирующими бактериями, или ризобиями, и их бобовыми хозяевами, охватывающими около 530 миль калифорнийской среды обитания, исследователи обнаружили, что естественный отбор в исследуемых ими популяциях благоприятствует мошенническим ризобиям.
Исследование, опубликованное в журнале Ecology Letters, впервые выявило штаммы-мошенники в естественных популяциях и показало, как естественный отбор благоприятствует им.
Исследователи использовали ранее опубликованную базу данных для количественной оценки распространенности различных штаммов ризобий в ландшафте. Они сосредоточились на встречающихся в природе популяциях ризобий рода Bradyrhizobium и местных однолетних растениях Acmispon strigosus, в которых обитают эти бактерии. В этих наборах данных они обнаружили, что чем меньше преимуществ, которые ризобии приносят своим растениям-хозяевам, тем более распространены ризобии.
"Наши данные показывают, что естественный отбор благоприятствует ризобиям-обманщикам, и подтверждают предсказания о том, что ризобии часто могут разрушать защитные механизмы растений и эволюционировать, чтобы эксплуатировать хозяев", - сказал Джоэл Сакс, профессор биологии в Департаменте эволюции, экологии и организмов. Биолог, руководивший исследовательской группой.
Сакс объяснил, что полезные бактерии все больше ценятся как ключ к здоровью человека, а также к продуктивности сельскохозяйственных культур и скота. Однако мало что известно о том, насколько эти бактериальные услуги различаются в природных системах и о силах, которые их модулируют.
«В частности, в отношении сельскохозяйственных культур агрономы в течение нескольких десятилетий безуспешно пытались разработать биоудобрения для сельскохозяйственных культур на основе полезных бактерий», - сказал он. «С аналогичными проблемами столкнулись при применении бактерий в других системах-хозяевах - например, пробиотиков, которые редко воздействуют на микробы-хозяева. Наш набор данных указывает на потенциальный недостаток этих подходов; бактерии со своими эволюционными интересами могут дестабилизировать эти взаимодействия».
В своей статье исследователи показывают, как преимущества бактериальных симбионтов меняются в зависимости от пространства и времени, и как быстро эти системы могут развиваться.
«Мы часто рассматриваем услуги бактерий как фиксированные, но это совсем не так», - сказал Сакс. «Точно так же, как каждый человек сильно различается почти по любому признаку, который мы можем измерить, бактериальные популяции еще более изменчивы. Понимание этих различий и их движущих сил будет ключом к полезному использованию этих бактерий в наших собственных целях».
Его команда уже активно работает над тем, чтобы лучше понять, как можно использовать полезные бактерии для улучшения роста растений. Предварительные данные показывают, что очень важно тщательно выбирать варианты бактерий, чтобы избежать использования вредных штаммов.
«Простого применения полезных бактерий к урожаю часто недостаточно, поскольку ожидается, что в этих популяциях будут скрываться эксплуататорские штаммы», - сказал Сакс..
В исследовании к нему присоединились Келси А. Гано-Коэн (соавтор), Камилла Э. Вендландт (соавтор), Питер Дж. Стоукс, Миа А. Блэнтон, Кенджиро В. Куидес., Ависса Зоморродян и Юнис С. Адината.
Исследование было поддержано грантом Sachs от Национального научного фонда.