Одно из самых подробных геномных исследований любой экосистемы на сегодняшний день выявило подземный мир потрясающего микробного разнообразия и добавило десятки новых ветвей к древу жизни.
Бактериальное золотое дно исходит от ученых, реконструировавших геномы более 2500 микробов из проб донных отложений и грунтовых вод, собранных в водоносном горизонте в Колорадо. Усилия возглавили исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли. Секвенирование ДНК было выполнено в Объединенном институте генома, учреждении DOE Office of Science User Facility.
Как сообщалось онлайн в журнале Nature Communications от 24 октября, ученые собрали геномы 80 процентов всех известных бактериальных типов, что представляет собой замечательную степень биологического разнообразия в одном месте. Они также обнаружили 47 новых групп бактерий на уровне типов, назвав многие из них в честь влиятельных микробиологов и других ученых. И они узнали новое о том, как микробные сообщества работают вместе, чтобы управлять процессами, которые имеют решающее значение для климата планеты и жизни во всем мире, такими как циклы углерода и азота..
Эти открытия проливают свет на одну из самых важных и наименее изученных областей жизни на Земле. В подземном мире содержится до одной пятой всей биомассы, но это остается загадкой.
"Мы не ожидали обнаружить такое невероятное микробное разнообразие. Но опять же, мы мало знаем о роли подповерхностных микробов в биогеохимических процессах, и, в более широком смысле, мы действительно не знаем, что там внизу", - говорит Джилл Бэнфилд, старший научный сотрудник отдела наук о климате и экосистемах лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли на кафедрах наук о Земле и планетах, а также наук об окружающей среде, политики и управления.
Картик Анантараман из Калифорнийского университета в Беркли, первый автор статьи, добавляет: «Чтобы лучше понять, чем занимаются подповерхностные микробы, наш подход состоит в том, чтобы получить доступ ко всем их геномам. Это позволило нам обнаружить большую взаимозависимость между микробами, чем мы уже видели."
Исследование является частью проекта Лаборатории Беркли под названием «Область научных исследований устойчивых систем 2.0», в рамках которого разрабатывается прогностическое понимание земной среды от генома до масштаба водосбора. Полевые исследования проекта проходят на исследовательском полигоне недалеко от города Райфл, штат Колорадо, где в течение последних нескольких лет ученые проводили эксперименты, направленные на стимуляцию популяций подземных микробов, которые естественным образом присутствуют в очень малых количествах.
Ученые отправили образцы почвы и воды из этих экспериментов в Объединенный институт генома для метагеномного секвенирования в масштабе терабазы. Этот высокопроизводительный метод изолирует и очищает ДНК из образцов окружающей среды, а затем последовательно секвенирует один триллион пар оснований ДНК. Затем ученые использовали инструменты биоинформатики, разработанные в лаборатории Бэнфилда, для анализа данных.
Их подход изменил древо жизни. Из 47 новых бактериальных групп, о которых сообщается в этой работе, и 35 новых групп, опубликованных в прошлом году (также обнаруженных на сайте Rifle), команда Бэнфилда удвоила количество известных бактериальных групп.
С открытием приходят и права на присвоение имен. Ученые назвали многие из новых групп бактерий в честь исследователей лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. Например, есть Candidatus Andersenbacteria в честь изобретателя филочипов Гэри Андерсена и Candidatus Doudnabacteria в честь пионера редактирования генома CRISPR Дженнифер Дудна. «Теперь Беркли доминирует в древе жизни, как и в периодической таблице», - говорит Бэнфилд, намекая на шестнадцать элементов, открытых в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли.
Другим важным результатом является более глубокое понимание роли подземных микробов в глобально важных циклах углерода, водорода, азота и серы. Эта информация поможет лучше представить эти циклы в прогностических моделях, таких как моделирование климата.
Ученые провели метаболический анализ 36 процентов организмов, обнаруженных в системе водоносных горизонтов. Они сосредоточились на явлении, называемом метаболической передачей, что, по сути, означает, что отходы одного микроба являются пищей для другого микроба. Из лабораторных исследований известно, что в некоторых реакциях необходима передача обслуживания, но эти взаимосвязанные сети широко распространены и намного сложнее в реальном мире.
Чтобы понять, почему важно максимально точно отображать обмен веществ в моделях, рассмотрим нитраты, загрязняющие грунтовые воды из-за удобрений. Подповерхностные микробы являются основной движущей силой превращения нитратов в безвредный газообразный азот. В этом процессе денитрификации есть четыре этапа, и на третьем этапе образуется закись азота - один из самых мощных парниковых газов. Процесс нарушается, если микробы, осуществляющие четвертый этап, неактивны, когда в систему поступает импульс нитрата.
«Если микробов нет, чтобы принять передачу закиси азота, то парниковый газ уходит в атмосферу», - говорит Анантараман.
Ученые обнаружили, что циклы углерода, водорода, азота и серы управляются метаболическими процессами, которые требуют неожиданно высокой степени взаимозависимости между микробами. Подавляющее большинство микроорганизмов не могут полностью восстановить соединение самостоятельно. Требуется команда. Существуют также резервные микробы, готовые выполнить передачу обслуживания, если микробы первой очереди недоступны.
«Сочетание большого микробного разнообразия и взаимосвязей через метаболические передачи, вероятно, приводит к высокой устойчивости экосистемы», - говорит Банфилд.