Почвенные бактерии замедляют деление, чтобы выжить в пустыне

Микроорганизмы, обитающие в пустыне, переживают продолжительные периоды засухи, находясь в состоянии покоя, но при этом все равно остаются частью микробного сообщества. Однако механизмы, благодаря которым они пребывают в состоянии покоя, остаются малоизученными. Авторы исследования, опубликованного в Nature Communications, показали, что появление влаги приводит к моментальной активации пустынных бактерий независимо от их таксономического положения и физиологической группы. Однако, чтобы избежать гибели вследствие быстрой регидратации и последующего осмотического стресса, клетки микрооорганизмов существенно замедляют скорость деления, а также переходят к репарации ДНК и запасанию углерода и энергии, готовясь к будущей засухе.

Авторы исследования работали с поверхностной «коркой», взятой в пустыне Негев, Израиль. Они симулировали дождь с помощью меченной дейтерием воды и показали, что под действием «дождя» в клетках микроорганизмов, содержащихся в «корке», активировались анаболические пути, достаточные для того, чтобы наращивать биомассу. «Дождь» поливал корку до 24 часов — именно столько, в среднем, длится дождь в Негев. Благодаря дождю из тяжелой воды микроорганизмы смогли ковалентно включать ²Н в свои метаболиты, в частности, в связи С-Н в ходе синтеза липидов de novo при участии НАДФН. Далее ученые исследовали изотопный состав водорода в клетках нитчатых и единичных цианобактерий с помощью наномасштабной масс-спектрометрии вторичных ионов (NanoSIMS), благодаря чему получили для каждой клетки данные по включению ²Н. Так было установлено, что нитчатые цианобактерии становятся анаболически активными спустя 3 часа дождя из тяжелой воды, причем содержание изотопа ²Н росло по мере продолжительности гидратации, что сопровождалось ростом биомассы.

В состав корки входят гетеротрофные, автотрофные и миксотрофные микроорганизмы, и ученые проверили, как дождь действует на бактерии разных физиологических групп, а именно, хемоавтотрофов и гетеротрофов. Обе группы микроорганизмы откликались медленным ростом биомассы в ответ на дождь: медианное время удвоения хемоавтотрофов составило 18,7 дней, а у гетеротрофов — 5,6 дней, а максимальное время удвоения составило 471 день. Таким образом, во время гидратации клетки делятся очень медленно. Известно, что во время дождя, длящегося всего сутки, только 7% клеток успевают поделиться. Микробная биомасса и разнообразие не могут сохраняться в каждом цикле дождя и засухи, если в каждом цикле будет погибать значительная доля клеток, которую будет невозможно восстановить. Таким образом, сдерживая бурный рост биомассы, пустынные микроорганизмы предотвращают ее дальнейшее резкое вымирание во время засухи.

Чтобы детально исследовать, как микроорганизмы различных таксономических групп реактивируются в ответ на регидратацию, ученые воспользовались метатранскриптомикой. Они показали, что все микроорганизмы быстро и одновременно реагируют на регидратацию, причем паттерны экспрессии соответствующих генов зависят от ее стадии. Авторы работы секвенировали метатранскриптомы микроорганизмов, обитающих в корке, которые после 24-часового дождя перешли в стадию высыхания. Секвенирование осуществляли в нескольких точках регидратации и высыхания, после чего сравнивали результаты с полученными ранее метагеномными данными по пустынным почвенным микробным сообществам, которые были добыты из того же образца корки. Оказалось, что таксономическое положение микроорганизмов никак не сказывалось на их ответе на гидратацию и высыхание.

Дальнейшие транскриптомные исследования показали, что в период гидратации микроорганизмы занимаются репарацией ДНК и запасанием энергии. Многие из них во время гидратации экспрессируют переносчики различных органических соединений. Во время основной стадии гидратации микроорганизмы запасают углерод и энергию с помощью окисления водорода или фотосинтеза. В период засухи они накапливают антиоксиданты, в частности, экспрессируют каталазу, и получают энергию из неорганических соединений. Некоторые бактерии в период засухи используют бактериородопсины, которые функционируют как управляемые светом протонные помпы; другие захватывают водород и окисляют его. В качестве осмопротектора используется трегалоза, которая стабилизирует макромолекулы, замещая молекулы воды. Важно отметить, что быстрый переход от засухи к гидратации может вызвать гибель многих клеток, не имеющих осмопротекторов, от осмотического стресса. 

Таким образом, пустынные микроорганизмы обладают совокупностью защитных мер, включающих контроль клеточного цикла, которые позволяют им с наименьшими потерями переживать период засухи.

Комару помогают пережить засуху трегалоза и ионы кальция