Кораллы и обитающие в них микробы эволюционировали вместе, как показывает новое исследование Университета штата Орегон.
Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Communications, дают новый взгляд на борьбу за спасение находящихся в боевой готовности коралловых рифов Земли, крупнейших и наиболее важных структур биологического происхождения на планете.
В исследовании, финансируемом Национальным научным фондом, участвовали сотни образцов склерактиниевых кораллов, также известных как каменистые кораллы, которые с момента своего появления 425 миллионов лет назад разветвились на более чем 1 500 видов.
Многие из них являются основными строителями коралловых рифов, которые находятся менее чем в 1 проценте океана, но являются домом для почти четверти всех известных морских видов. Рифы также помогают регулировать уровень углекислого газа в море и являются важными охотничьими угодьями, которые ученые используют в поисках новых лекарств.
«Многие кораллы вымерли во время индустриализации, а многим другим угрожает исчезновение», - сказала соавтор исследования и микробиолог Орегонского государственного университета Ребекка Вега Тербер, которая снялась в снятом в 2018 году Орегонским государственным университетом документальном фильме «Спасти Атлантиду». «Если мы увидим закономерности эволюции между микробиомами и кораллами, это даст нам представление о том, на какие микробы нацелиться, чтобы узнать, что они делают, как они помогают кораллам противостоять изменению климата и как они помогают защититься от загрязнения питательными веществами. более глубоко изучить микробы и понять, как они помогают или вредят своим хозяевам».
Современные кораллы являются домом для сложного состава динофлагеллят, грибов, бактерий и архей, которые вместе составляют микробиом кораллов. Сдвиги в составе микробиома связаны с изменениями в состоянии здоровья кораллов.
«Вероятно, кораллы-предки также содержали сложные микробные сообщества, но мы многого не знаем о том, как развивались эти симбиозы кораллов и микробов, или о ключевых факторах, влияющих на микробные сообщества в современных кораллах», - сказала Вега Тербер. «Некоторые виды кораллов имеют различные микробиомы, до такой степени, что это произошло в какой-то момент их эволюционной истории. Не 400 миллионов лет назад, но есть определенные группы микробов, которые демонстрируют очень убедительные доказательства того, что они эволюционировали вместе со своими хозяевами совсем недавно."
Вега Тербер и Райан МакМиндс, доктор философии. студентка в ее лаборатории и соавтор статьи, были частью международного сотрудничества, в котором также участвовали Моника Медина из Пенсильванского государственного университета и бывший докторант штата Орегон Джесси Заневельд, ныне доцент Вашингтонского университета. Ботелл.
Огромный, сложный в вычислительном отношении исследовательский проект включал в себя сбор 600 образцов кораллов с 21 рифа у берегов Австралии, охватывающих 17 градусов широты.
«В самых разных масштабах, чем больше похожи кораллы-хозяева, тем больше похожи микробные сообщества - как все сообщество, так и отдельные микробы», - сказал МакМиндс. «Мы собрали образцы как можно большего количества видов кораллов. Для каждого набора образцов мы изучали ткани, скелет и слизь кораллов, чтобы увидеть, какие там микробы».
Для этого исследователи секвенировали ген 16S рРНК. Этот ген присутствует в каждом живом организме, объясняет МакМиндс, но немного отличается. Он сравнил его с «молекулярным штрих-кодом» каждого организма, которому он принадлежит.
Оттуда ученые могли искать закономерности между микробными сообществами разных кораллов и определять, имела ли место совместная эволюция кораллов и их микробиомов.
«Мы обнаружили сильную поддержку «филосимбиоза» коралловых микробов, в котором состав и богатство кораллового микробиома отражаются в истории эволюции кораллового хозяина», - сказала Вега Тербер.«Когда видообразование современных семейств кораллов, образующих рифы, началось примерно между 25 миллионами и 65 годами назад, это сопровождалось большими изменениями в богатстве микробиома. И изменения продолжали накапливаться во время более поздних событий видообразования».
Разнообразие кораллов слишком велико для оценки различных факторов, поддерживающих микробиом каждого отдельного вида кораллов, но эти результаты дают общие правила сборки микробиома, «которые дают информацию для оценок воздействия микроорганизмов на малоизученные части кораллового дерева».."
«Теперь у нас есть структура для анализа склерактиниевых коралловых микробов, которая может показать, как эволюционная история кораллов, черты хозяина и местная среда взаимодействуют, формируя микробиомы», - сказала Вега Тербер. «В мире кораллов существовала давняя гипотеза о совместной эволюции микробов и кораллов, но до сих пор не было достаточного набора данных, чтобы проверить это».
Исследователи были удивлены, обнаружив, что микробиомы скелетов кораллов из карбоната кальция демонстрируют большее богатство микробиома по сравнению с микробиомами тканей и слизи. Кроме того, скелетные микробиомы продемонстрировали самый сильный сигнал долгосрочного филосимбиоза - модели, в которой диверсификация родственной группы организмов-хозяев коррелирует с изменениями различий между их микробиомами.
«Первоначально мы думали, что кораллы будут демонстрировать признаки филосимбиоза на протяжении всей своей филогенетической истории, и результаты подтверждают это для скелета и тканей, но не для слизи», - сказал МакМиндс. «Несмотря на изменчивость химического состава слизи между видами и значительную специфичность микробиома слизи к хозяину, специфичность хозяина была ограничена относительно недавними расхождениями».
Он также отметил, что исследование выявило потенциальную значимость «нескольких групп микробов, которые никто не считал важными для изучения».
«Существуют тысячи различных видов микробов, и не так много, которые исследователи считают интересными, и мы определили пару других микробов-мишеней, которые могут влиять на здоровье кораллов», - сказал МакМиндс.«Мы не знаем наверняка, важны ли они, но данные свидетельствуют о том, что они меняются вместе со своими хозяевами, так что, вероятно, они делают что-то важное. присмотритесь повнимательнее."