Когда дело доходит до устриц и их роли в снижении загрязнения питательными веществами, новое исследование, проведенное учеными из Института морских наук Вирджинии Уильяма и Мэри, затрагивает суть и скорлупу этого вопроса.
Исследование, опубликованное в выпуске PLoS ONE от 29 сентября, является первым, в котором идентифицированы и количественно определены потенциально денитрифицирующие бактерии в кишке и раковине устрицы, и первым, кто сделал это с помощью новой компьютерной программы, которая определяет бактериальную активность на основе на последовательности генов рибосомных РНК.
Денитрификация - это процесс, при котором нитраты и нитриты - соединения, которые способствуют чрезмерному удобрению прибрежных вод, - превращаются в газообразный азот, безвредный для водной среды обитания. Избыток азота из очистных сооружений, сельскохозяйственных удобрений и других антропогенных источников может привести к образованию «мертвых зон» с низким содержанием кислорода, снижению уловов рыболовства и утрате мест обитания морских водорослей. Чесапикский залив - одна из многих экосистем мира, которые пострадали от такого воздействия.
Ведущий автор исследования - Энн Арфкен, доктор философии. студентка лаборатории ВИМС доцента и соавтора Б. К. Сонга. Другими соавторами являются доктора наук. Джефф Боуман из Океанографического института Скриппса и Майкл Пилер из Университета Северной Каролины.
«Большинство исследований, посвященных денитрификации, связанной с устрицами, были сосредоточены на отложениях внутри и вокруг устричных рифов», - говорит Арфкен. «Мы первыми исследовали способность к денитрификации микробиомами, живущими внутри и на самих устрицах.«Микробиом» - это сообщество микроскопических организмов, населяющих каждое живое существо, от клещей, обитающих в ваших ресницах, до бактерий, обитающих среди корней томатов.
Результаты исследования имеют важное значение для усилий по снижению уровня питательных веществ в прибрежных водах путем восстановления устриц. «Мы обнаружили, что раковины устриц содержат уникальные микробные сообщества с более высокой активностью денитрификации, чем отложения», - говорит Сонг. «Таким образом, в начале проекта по восстановлению устриц можно уменьшить количество питательных веществ, поскольку микробиомы раковины активно удаляют связанный азот».
Финансовая и логистическая проблема
Недавние исследования показывают, что микробиомы играют ключевую роль в физиологии и экологии организма, но, по словам Сонга, «изучение связи между генетическим строением и функциями микробиома долгое время представляло собой проблему».
Эта проблема является как финансовой, так и логистической.«Исследования всей генетической структуры организма - его генома - очень дороги и могут не работать для образцов, в которых вклад микробов невелик», - говорит Сонг. «В результате многие исследования полагаются на секвенирование ампликонов генов рибосомной РНК для идентификации микробных таксонов». Этот подход менее затратен, но дает ограниченное представление о метаболических путях, связанных с различными микробиомами - в данном случае о том, обладают ли они генами, необходимыми для денитрификации..
Чтобы решить эти проблемы, команда использовала новую технику, разработанную Боумэном. Названный «PAPRICA» - от PAthway PRediction by phylogenetIC plAcment - он позволяет исследователям делать выводы о метаболических путях на основе последовательностей генов, связанных с небольшой субъединицей рибосомы, называемой 16S рРНК.
«Мы объединили индивидуальную геномную базу данных с программой PAPRICA, чтобы идентифицировать бактерии, несущие гены денитрификации, среди микробиомов, связанных с кишками устриц, раковинами и рифовыми отложениями», - говорит Сонг. Он объясняет: «Это было бы чем-то вроде различия между различными человеческими популяциями путем сравнения количества заболеваний желудка с геном, необходимым для переваривания молока».
Исследовательская группа измерила скорость денитрификации в камерах, содержащих живых устриц, раковины устриц или отложения, собранные вблизи устричных рифов, и обнаружила гораздо более высокие скорости в камерах, содержащих живых устриц и раковин. Когда они сравнили эти показатели с обилием генов денитрификации в трех микробиомах, они увидели сильную корреляцию между высокими показателями денитрификации и генной последовательностью, называемой nosZI..
«Мы обнаружили, что бактерии, несущие гены nosZI, являются важными денитрификаторами и способствуют удалению азота из устричных рифов», - говорит Арфкен.
Исследователи предупреждают, однако, что необходимы дополнительные исследования. «Мы должны быть осторожны, делая выводы о денитрификации и других метаболических процессах на основании наличия гена в бактериальном геноме», - говорит Арфкен.«Эти процессы часто чрезвычайно сложны и требуют скоординированной экспрессии нескольких разных генов. Более того, многие организмы могут нести ген, но не экспрессировать его». геномы либо неполные, либо низкого качества».
Но исследователи сохраняют оптимизм. «Мы рады продолжить исследования для дальнейшего подтверждения использования основанных на генах метаболических выводов в качестве надежного метода оценки метаболического потенциала микробиомов», - говорит Сонг.