Как Билл Мюррей в фильме «День сурка», виды бактерий в озере Висконсин находятся в своем роде бесконечном цикле, из которого они, похоже, не могут выбраться. Только в этом случае это больше похоже на год сурка.
Согласно новому исследованию в журнале Nature Microbiology, исследователи обнаружили, что в течение года большинство отдельных видов бактерий в озере Мендота быстро эволюционировали, по-видимому, в ответ на резко изменяющиеся сезоны. Генетические варианты поднимались и падали из поколения в поколение, однако сотни отдельных видов почти полностью возвращались к близким копиям того, какими они были генетически примерно до тысячи поколений эволюционных изменений. (Индивидуальные микробы имеют продолжительность жизни всего лишь несколько дней — не целые сезоны — поэтому работа ученых заключалась в сравнении геномов бактерий для изучения изменений видов с течением времени.) Это же сезонное изменение происходило год за годом, как будто эволюция была фильмом, который каждый раз запускался с самого начала и повторялся, казалось бы, без какого-либо результата.
«Я был удивлен, что такая большая часть бактериального сообщества претерпевает такую смену», — сказал Робин Ровер, постдокторский исследователь в Университете Техаса в Остине в лаборатории соавтора Бретта Бейкера. «Я надеялся наблюдать всего несколько интересных примеров, но их было буквально сотни.»
Ровер возглавил исследование, сначала как аспирант, работая с Триной Макахон в Университете Висконсин-Мэдисон, а затем в UT.
Озеро Мендота сильно меняется от сезона к сезону — зимой оно покрыто льдом, а летом — водорослями. Внутри одного и того же бактериального вида штаммы, лучше адаптированные к одной группе экологических условий, будут конкурировать с другими штаммами в течение сезона, в то время как другие штаммы получат свой шанс проявить себя в другие сезоны.
Команда использовала уникальный архив из 471 пробы воды, собранной за 20 лет из озера Мендота исследователями UW-Madison в рамках финансируемых Национальным научным фондом долгосрочных мониторинговых проектов. Для каждой пробы воды они собрали метагеном, все генетические последовательности из фрагментов ДНК, оставленных бактериями и другими организмами. Это привело к созданию самой длинной временной серии метагеномов, когда-либо собранной из природной системы.
«Это исследование полностью меняет наше понимание того, как микробные сообщества меняются с течением времени», — сказал Бейкер. «Это всего лишь начало того, что эти данные расскажут нам о микробной экологии и эволюции в природе.»
Этот архив также выявил более длительные генетические изменения.
В 2012 году озеро пережило необычные условия: ледяное покрытие растаяло раньше, лето было hotter и суше обычного, поток воды из реки, впадающей в озеро, уменьшился, а водоросли, которые являются важным источником органического азота для бактерий, были более редкими, чем обычно. Как обнаружили Ровер и команда, многие бактерии в озере в тот год приобрели значительные изменения в генах, связанных с метаболизмом азота, возможно, из-за нехватки водорослей.
«Я думал, что из сотен бактерий я смогу найти одного или двух с долгосрочными изменениями», — сказал Ровер. «Но вместо этого 1 из 5 имел большие изменения в последовательности, которые развивались на протяжении нескольких лет. Мы смогли глубоко исследовать только один вид, но некоторые из других видов также, вероятно, имели существенные изменения в генах.»
Климатологи предсказывают более экстремальные погодные явления — такие как горячее, сухое лето, пережитое в озере Мендота в 2012 году — для Среднего Запада США в ближайшие годы.
«Климатические изменения медленно меняют сезоны и средние температуры, но также вызывают более резкие, экстремальные погодные явления», — сказал Ровер. «Мы не знаем точно, как микробы ответят на климатические изменения, но наше исследование предполагает, что они будут эволюционировать в ответ как на эти постепенные, так и на резкие изменения.»
В отличие от другого известного эксперимента по эволюции бактерий в UT, Долгосрочного эксперимента по эволюции, исследование Ровера и Бейкера включало эволюцию бактерий в сложных и постоянно меняющихся условиях природы. Исследователи использовали ресурсы суперкомпьютеров Техасского центра продвинутых вычислений (TACC) для восстановления геномов бактерий из коротких последовательностей ДНК в пробах воды. Та же работа, которая заняла бы несколько месяцев в TACC, заняла бы 34 года на ноутбуке, по оценке Ровера, и включала более 30,000 геномов из около 2,800 различных видов.
«Представьте, что геном каждого вида — это книга, а каждый маленький фрагмент ДНК — это предложение», — сказал Ровер. «Каждая проба содержит сотни книг, все нарезанные на эти предложения. Чтобы собрать каждую книгу снова, нужно выяснить, из какой книги пришло каждое предложение, и собрать их в правильном порядке.»
