Глубоко под землей, земля под нашими ногами кишит микробной жизнью, большую часть которой еще предстоит охарактеризовать. Отрезанные от солнечного света, эти загадочные организмы должны получать необходимую для жизни энергию и углерод, в которых нуждаются все живые клетки, другими способами.
Насущный вопрос подповерхностной микробиологии заключается в том, как эти организмы и их способность к круговороту углерода, азота и серы распределяются по вертикальным трансектам под землей. В морских или пресноводных водных системах отбор микробных сообществ вдоль градиентов глубины довольно прост. Но для земных недр трудно получить образцы без загрязнения буровыми растворами или оборудованием.
В сотрудничестве с командой, возглавляемой давним сотрудником Джилл Банфилд из Калифорнийского университета в Беркли и Кэти Райан из Университета Калгари в Канаде, исследователи из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), Центр научных исследований Министерства энергетики США, исследовал образцы, собранные в Хрустальном гейзере в течение одного из сложных пятидневных циклов извержения гейзера Юты. Метагеномика с разрешением генома, геномика отдельных клеток и геохимический анализ были объединены, чтобы показать, что образцы, взятые на каждом этапе, содержат микробные сообщества, которые различаются как по составу, так и по метаболической функции. Результаты были опубликованы 29 января 2018 г. в журнале Nature Microbiology..
Банфилд отметила, что ключевым достижением, по ее мнению, является то, что геномные методы, не зависящие от культивирования, напрямую связывают совершенно новые группы организмов с их источниками под землей. Это стало возможным благодаря беспрецедентному сочетанию методов геномики с геохимией и гидрологической информацией. Она также отметила, что важно, чтобы основные методы микробной экологии, метагеномики с разрешением генома и геномики отдельных клеток применялись к одним и тем же образцам, чтобы можно было сравнить эти ключевые методы..
Расположенный в бассейне Парадокс, штат Юта, Кристаллический гейзер представляет собой гейзер с холодной водой, приводимый в движение CO2, питаемый серией нижележащих водоносных горизонтов, разделенных слоями сланца и аргиллита. Его пятидневный цикл извержений состоит из трех фаз: незначительные извержения, крупные извержения и восстановление. На каждой фазе извержения образцы микробных сообществ брались из подземных вод на разных интервалах глубины.
«Для микробиологии и геохимии это действительно крутая система, потому что в течение своего цикла гейзер питается этими различными водоносными горизонтами, и благодаря этим извержениям вы можете получить доступ к стратифицированной системе и микробам, которые всплывают», - сказал JGI Microbial. Руководитель программы Таня Войке.
Исследование глубоких земных недр
Предыдущая работа группы Бэнфилда намекала на огромное филогенетическое разнообразие ранее неизвестных бактерий и архей в этой системе, включая глубоко разветвленные организмы типа Candidate Phyla Radiation (CPR) и суперфилум экстремофильных архей DPANN, названный в честь первых пяти обнаружены группы: Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanoarchaeota и Nanohaloarchaea.
«Хрустальный гейзер представляет собой уникальную среду для исследования недр, а объединение наших наборов гидрогеохимических и микробиологических данных привело к захватывающим выводам о том, что там происходит», - сказала Бетани Лэдд, соавтор исследования и Аспирант Райана
"Экосистемы в глубоких земных недрах 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 средах выживают без солнечного света", сказал соавтор исследования Александр Пробст, бывший научный сотрудник лаборатории Бэнфилда, который сейчас работает в Университете Дуйсбург-Эссен в Германии.
В текущем исследовании были реконструированы геномы 505 различных бактериальных и архейных организмов из 104 различных линий на уровне типов, включая девять потенциально новых типов. Приблизительно 57 процентов организмов были значительно обогащены на определенной фазе цикла извержения гейзера и, таким образом, могли быть источником для определенного интервала глубины грунтовых вод..
Сообщество неглубоких подземных вод состояло в основном из одного вида Sulfurimonas, нескольких других бактерий и нескольких архей. Большинство микробов на средних глубинах и связанных с самим гейзером принадлежали к CPR, но наиболее многочисленным был представитель Gallionellaceae. А в самых глубоких подземных водах была наибольшая концентрация архей DPANN и Candidatus «Altiarchaeum», замечательного архея с миниатюрными абордажными крюками на поверхности клеток.
Как эти огромные сети функционируют вместе
Предполагается, что многие из этих обитающих под землей микробов являются симбиотическими, и идея заключается в том, что нехватка ресурсов, доступных в окружающей среде, означает, что они должны больше полагаться друг на друга, чтобы выжить. Организмы, способные генерировать энергию посредством химических реакций (таких как окисление водорода или железа), а затем использовать эту энергию для создания углерода, считаются «первичными производителями», которые поддерживают другие бактерии и археи в своих сообществах.
«Для меня было честью и удовольствием работать с командой Беркли в течение долгих дней и долгих ночей в очень особенной части мира», - отметил Райан из Университета Калгари, аспирантка которого Бетани Лэдд была со- первый автор исследования.
Группа Бэнфилда также ранее сообщала, что организмы в системе Хрустального гейзера используют три различных механизма фиксации углерода. В текущем исследовании они связали механизм с наибольшей потребностью в энергии с сообществом неглубоких подземных вод, а механизм с наименьшим потреблением энергии был связан с сообществом глубоких подземных вод.
Более того, отметил Пробст, анализ идентифицировал геномы сотен предполагаемых симбиотических организмов, включая потенциальный симбионт одного из самых распространенных организмов в этих подземных жидкостях, археона, который связывает CO2в недрах и превращает его в органическое вещество.
«Теперь, когда у нас есть такие большие наборы данных, мы можем начать пытаться понять, как эти огромные сети функционируют вместе», - сказал Войк.
Дополнительные исследователи JGI, которые внесли свой вклад в проект, включают: Джессику Джаретт, научного сотрудника лаборатории Войка, которая помогла создать и проанализировать геномы отдельных клеток; Рекс Мальмстрем, ученый-исследователь/инженер, помогавший в создании геномов отдельных клеток; и Кристиан Зибер, бывший научный сотрудник с докторской степенью, совместно назначенный в Калифорнийском университете в Беркли, предоставил программное обеспечение.
Александр Пробст был поддержан Немецким научным фондом и Научной областью устойчивых систем Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, финансируемой Министерством энергетики США, Управлением науки. Работа в Калифорнийском университете в Беркли финансировалась за счет гранта Sloan Foundation «Deep Life». Финансирование гидрогеологических и геохимических анализов было предоставлено Кэти Райан Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канадского исследовательского гранта.