Выявлены гены, позволяющие почвенным бактериям выживать при высоких концентрациях никеля

Авторы статьи, опубликованной в PNAS, выявили гены, делающие почвенных бактерий — симбионтов бобовых растений устойчивым к никелю, и выяснили, как эволюционировали эти гены в пангеномах бактерий.

Выживание в присутствии стрессовых факторов требует специфических генетических вариаций, которые обеспечивают защиту от неблагоприятных воздействий. Такие вариации могут быть редкими в нормальных условиях, но в стрессовых условиях их носители получают огромное преимущество и быстро становятся преобладающими — возникают специализированные субпопуляции, способные занять новые экологические ниши. Кроме того, возможно распространение защитных вариантов путем горизонтального переноса генов.

Например, для почвенных бактерий неблагоприятны серпентиновые почвы, которые формируются при естественном выветривании ультраосновных серпентинитовых пород и содержат тяжелые металлы, такие как никель (Ni); кроме того, для них характерны низкие концентрации Ca²⁺ и высокие концентрации Mg²⁺. Серпентиновые почвы встречаются на западе Северной Америки, и как почвенные бактерии, населяющие их, так и произрастающие на них растения обзавелись системами защиты от никеля. Более того, устойчивые к тяжелым металлам бактерии, обитающие на корнях растений (ризобактерии), улучшают их рост на серпентиновых и других неблагоприятных почвах. Толерантность бактерии к избытку тяжелых металлов может обеспечиваться активным удалением ионов из клетки, защитой от их проникновения, накоплением металла в неопасной форме внутри клетки или же изменением степени окисления.

Клубеньковые бактерии (Rhizobiales) свободно живут в почве и могут в ней распространяться, однако они наиболее известны как симбионты бобовых растений, фиксирующие азот. Авторы статьи изучали два вида луговых бобовых растений, Acmispon wrangelianus и Acmispon brachycarpus, которые произрастают от Северной Мексики до Южного Орегона. В пределах большей части этого обширного ареала брали пробы почвы, в них проверяли содержание никеля и кальция. Из клубеньков на корнях растений выделяли бактерии рода Mesorhizobium — это типичный симбионт обоих видов как в серпентиновых почвах, так и в почвах обычного состава.

Бактерии изолировали из 669 корневых клубеньков растений рода Acmispon, собранных в 55 местах обитания. Кроме того, в исследование были включены 46 штаммов Mesorhizobium из другой работы. Для каждого штамма измеряли устойчивость к никелю в концентрации от 0 до 5 мМ, а также способность расти в среде с 1 мМ хлорида никеля. Штаммы, обитающие в почвах с высоким содержанием никеля, как и ожидалось, продемонстрировали бо́льшую устойчивость к нему.

Чтобы определить гены, ответственные за устойчивость, авторы работы исследовали пангеном собранных штаммов Mesorhizobium. Они собрали геномы для 302 штаммов, выделенных в разных точках ареала растений (299 черновых и три полных генома). В ко́ровом пангеноме Mesorhizobium были выявлены 2423 гена, консервативных для всех штаммов. Филогенетический анализ показал, что в роде Mesorhizobium есть некоторая региональная вариабельность, однако связанная с почвами вариабельность практически отсутствует.

Полногеномный поиск ассоциаций позволил установить, что устойчивость к никелю возникла вследствие утраты или приобретения определенных генов. Особое внимание исследователей привлек участок генома C089B, в котором 30 генов-кандидатов, возможно, связанных с устойчивостью, располагаются близко друг к другу. Четыре из этих генов, обозначенных nreA, nreX, nreY и dedA, образуют оперон nre, который и обеспечивает защиту от никеля. Продукт гена nreA сходен с транскрипционным фактором, который участвует в защите от никеля у некоторых других организмов; nreX и nreY, вероятно, кодируют протон-катионные переносчики; продукт гена dedA — предполагаемый трансмембранный транспортер, который связан с устойчивостью ко многим органическим соединениям и металлам. Гены nreX и (или) nreY строго необходимы для толерантности к никелю.

Филогенетический анализ показал, что гены, связанные с устойчивостью к никелю, широко распространены среди членов рода Mesorhizobium. Чтобы оценить распространенность оперона nre, для филогенетического анализа взяли гены nreA, nreX и nreY. Выяснилось, что эти гены часто встречаются в мобильных генетических элементах. Даже среди представителей Mesorhizobium оперон nre может находиться в разном геномном контексте. Были также выявлены аллельные варианты в генах nre, которые, вероятно, возникли как адаптация к конкретным условиям окружающей среды. Таким образом, адаптация происходила как за счет приобретения генов, так и за счет отбора и замещения аллельных вариантов.

Авторы исследования показали, что главным фактором, обеспечивающим эволюцию генов в опероне nre, являются именно почвенные условия. Хотя nre дает существенное преимущество при росте в среде, содержащей никель, в отсутствие никеля он никаких преимуществ не дает.

«Между этими ризобиями и средой их обитания существует очень красивое соответствие, — говорит руководитель работы Стефани Портер из Университета штата Вашингтон. — Это изысканная эволюционная история о том, как в природе возникает и поддерживается разнообразие, чтобы точно соответствовать уровню проблем, с которыми встречаются эти организмы».

Гигантская бактерия использует разность концентраций ионов натрия для движения и получения энергии