Морские бактерии-симбионты убивают водоросли, когда мирное сосуществование становится невыгодным

Примерно половина всего фотосинтеза Земли происходит в одноклеточных водорослях, или фитопланктоне. Эти водоросли также лежат в основе морских пищевых сетей. Поэтому понимание факторов, контролирующих рост и гибель фитопланктона, имеет важное значение для поддержания здоровья морских экосистем. Известно, что гетеротрофные бактерии группы Roseobacter (семейство Rhodobacteraceae) симбиотически сосуществуют с фитопланктоном. Водоросли обеспечивает Roseobacter органическими веществами, такими как сахара и аминокислоты, а Roseobacter, в свою очередь, снабжают водоросли витаминами группы В и стимулирующими рост факторами. Кроме того, бактерии выделяют соединения, которые отпугивают другие микроорганизмы, питающиеся водорослями. Когда водоросли размножаются настолько, что начинают конкурировать с самими бактериями за ресурсы, Roseobacter вырабатывают токсичные розеобактициды, которые убивают фитопланктон.

Исследователи из Института Вейцмана, Израиль, описали молекулярные механизмы переключения, которое происходит у морских бактерий Roseobacter, когда они переходят от взаимовыгодного сосуществования с одноклеточными водорослями к уничтожению организмов-хозяев.

Эксперименты показали, что бактерии из изолята Sulfitobacter D7, выращенные в среде, индуцирующей патогенность, экспрессируют гены переносчиков метаболитов (аминокислот, углеводов, органических соединений серы и азота) на более высоком уровне, чем бактерии, которые культивировали в среде, оптимальной для сосуществования с фитопланктоном. Повышение концентраций молекул-переносчиков способствует максимальному поглощению метаболитов, высвобождаемых погибающей клеткой водоросли. Кроме того, на патогенном этапе у Sulfitobacter D7 активируются жгутиковые гены, которые отвечают за движение бактерий. Эти два новых фактора позволяют бактериям реализовать стратегию «ешь и беги»: они опережают конкурентов в борьбе за питательные вещества, высвобождаемые при гибели фитопланктона, и уплывают в поисках следующего хозяина.

Авторы использовали методы транскриптомики, чтобы изучить гены, которые по-разному экспрессируются у бактерий на стадиях симбиоза с фитопланктоном Emiliania huxleyi и патогенности. Ученые проанализировали бактериальные транскриптомы в ответ на экссудаты, полученные из водорослей в фазе экспоненциального роста и в стационарной фазе. На стационарной фазе взаимодействие становится патогенным, вирулентность бактерий по отношению к E. huxleyi растет.

Исследователи установили ключевую роль вырабатываемого водорослями химического соединения диметилсульфониопропионата (ДМСП, DMSP) при переключении бактерий в режим патогенов. Они сделали это, картируя гены, активируемые в Sulfitobacter D7 в ответ на присутствие ДМСП и других метаболитов, полученных из водорослей. Но если внести в среду с бактериями только ДМСП, когда другие метаболиты E. huxley отсутствуют, то переключения не происходит. Это означает, что, хотя сигнальные молекулы ДМСП и опосредуют смену режима взаимодействия, сам ДМСП также зависит от присутствия других инфохимических метаболитов водорослей.

Исследователи раскрыли роль получаемого из водорослей бензоата во взаимодействиях Sulfitobacter D7 и E. huxleyi. Бензоат важен для поддержания этапа выгодного сосуществования водорослей и бактерий. Это эффективный фактор роста, его предоставляет бактериям водоросль во время фазы мирного сосуществования. Даже при высоких концентрациях ДМСП бензоат поддерживает симбиотический формат взаимоотношений. Авторы предполагают, что пока бактерии извлекают выгоду из сосуществования, получая материалы для роста и развития, они будут поддерживать симбиотическое взаимодействие. Когда от водорослей поступает меньше бензоата и других субстратов для роста, бактерии меняют образ жизни и убивают водоросль, поглощая все оставшиеся питательные вещества.

Авторы отмечают, что бактерии могут ощущать физиологическое состояние водоросли-хозяина через изменения в метаболическом спектре, но точный механизм включения режима патогенности у морских бактерий еще предстоит выяснить. Детали этого переключения могут дать новое представление о способах регулировании динамики роста водорослей и об их влиянии на глобальные биогеохимические процессы.

Миксотрофные динофлагелляты охотятся на бактерии с помощью углеродсодержащих ловушек