Роль хемотаксиса в формировании микробиома океана показали in situ

Микробный хемотаксис изучают в основном в контексте высокоструктурированных микроокружений, таких как биопленки, почва и ткани организма-хозяина. Однако он может играть важную роль и в водах мирового океана, позволяя бактериям использовать «горячие точки» нутриентов, колонизировать частицы или фитосферу — пространство вокруг фитопланктона, для которого характерен градиент растворимых органических веществ. Однако все эти предположения основаны на моделях и данных, полученных в лабораторных условиях; есть мало свидетельств того, что морские бактерии и археи используют эти стратегии в природе.

Международная группа ученых использовала анализ хемотаксиса in situ (in situ chemotaxis assay, ISCA). Для этого применяли микрофлюидную платформу, которая состояла из набора микроколодцев, соединенных с морской водой. Каждый микроколодец был заряжен хемоаттрактантами. Платформу запускали в океан рядом с Сиднеем, хемоаттрактанты выходили в окружающую воду, создавая градиент. Микроорганизмы, способные к хемотаксису, мигрировали к источнику питательных веществ и оставались в микроколодцах, после чего их анализировали и характеризовали. В качестве хемоаттрактантов использовали растворимые органические вещества от 14 видов фитопланктона, обитающих у берегов Австралии. В их состав входили аминокислоты, амины, сахара, органические и жирные кислоты и другие метаболиты.

Опыт показал, что многие морские прокариоты способны к хемотаксису по отношению к веществам, вырабатываемым фитопланктоном. Сила хемотаксиса зависела от температуры воды. Так, его не детектировали во время трех запусков платформы, произведенных зимой, что может объясняться меньшим числом подвижных клеток, их низкой скоростью или другими биологическими факторами.

Самый сильный хемотаксис зарегистрировали при запуске платформы, произведенном в феврале 2018 года. Особенно хорошо привлекали микроорганизмы органические вещества динофлагеллят Alexandrium minutum и гаптофитов Prymnesium parvum.

Метагеномный анализ показал, что фитопланктон привлекал микробные сообщества, которые значительно отличались от контрольных микроорганизмов, отфильтрованных из окружающей воды. Всего определили 163 таксона, относящихся к 27 бактериальным типам и двум типам архей. Так, представителей семейств Vibrionaceae, Alteromonadaceae и Pseudoalteromonadaceae в микроколодцах было в 60 раз больше, чем в среде, если в качестве хемоаттрактантов использовали органические соединения Alexandrium tamarense.

Микроорганизмы, для которых был характерен хемотаксис, отличались также функционально. Например, у них чаще встречались гены, связанные с движением и хемотаксисом (che, flg и fli), а также гены, необходимые для прикрепления к поверхностям (cpa и pil). Для них были характерны такие функции, как выработка сидерофоров, гормонов роста растений и витаминов, а также ощущение кворума. Это те функции, которые важны для установления мутуалистических отношений с фитопланктоном. Также авторы определили, какие конкретно органические вещества привлекают микроорганизмы.

Ученые не только подтвердили важную роль хемотаксиса в морских экосистемах, но и продемонстрировали сезонные изменения. Они планируют более длительные эксперименты, чтобы исследовать роль эукариот.