Важнейшие бактерии океана SAR11 оказались разделены на эко-группы

Новаторское исследование, проведенное Институтом морской биологии Гавайского университета в Маноа (HIMB), раскрыло важные детали о SAR11 – одной из самых распространенных форм жизни в океане. Понимание этих микробов жизненно необходимо, поскольку они являются одним из главных двигателей системы жизнеобеспечения мирового океана – они перемещают и перерабатывают углерод и питательные вещества, поддерживающие всю остальную морскую жизнь. Углубленное изучение этих бактерий позволит ученым точнее прогнозировать реакцию всей океанической экосистемы и глобального климата на такие угрозы, как загрязнение и потепление.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что бактерии SAR11 – это не единая однородная популяция, как считалось ранее. Вместо этого они организованы в стабильные, экологически обособленные группы, по сути – в специализированные «команды», адаптированные к конкретной среде обитания, например, к прибрежным водам или открытому океану. Это означает, что один из важнейших механизмов океана устроен гораздо сложнее, чем было известно.

Используя залив Канеохе на Гавайях в качестве естественной лаборатории, команда ученых связала недавно выращенные штаммы с образцами из мирового океана. Это продемонстрировало, что экологически обособленные группы значительно различаются по предпочтениям среды обитания, набору генов и эволюционной истории. «Залив Канеохе предоставил нам редкую возможность увидеть, как микробные популяции могут адаптироваться на очень малых пространственных масштабах», – говорит Келле Фрил, ведущий автор исследования из HIMB. – «Сочетая культивирование с долгосрочными наблюдениями, мы смогли напрямую связать геномы с реальными экологическими различиями в океане».

Бактерии SAR11 – это крошечные клетки, которые в совокупности представляют одну из самых обильных форм жизни в океане и играют центральную роль в морских циклах углерода и питательных веществ. Несмотря на их глобальное значение, ученые долго не могли понять, чем популяции SAR11 отличаются друг от друга, отчасти потому, что эти микробы чрезвычайно разнообразны и их очень трудно выращивать в лаборатории. Долгосрочные наблюдения в заливе Канеохе позволили сопоставить измерения окружающей среды с новыми штаммами SAR11 и связать ДНК микроорганизмов с тем, где они живут и как выживают.

«Эта работа показывает, что разнообразие SAR11 не случайно», – сказал Майкл Раппе, главный исследователь HIMB. – «Используя залив Канеохе как модельную систему, мы смогли объединить геномику с экологией таким образом, который выявляет четкую эволюционную структуру – структуру, которая сохраняется во всем мировом океане и обеспечивает общую основу для изучения одной из самых важных микробных групп планеты».

Культивировав и расшифровав полные геномы 81 нового изолята SAR11 из прибрежных и открытых вод, исследователи утроили количество доступных полных геномов для этой группы бактерий. Когда эти геномы проанализировали вместе с более чем 1300 морскими метагеномами со всего мира, проявились четкие и повторяющиеся экологические закономерности. Бактерии SAR11 не смешивались в одну большую популяцию, а последовательно группировались в экологически обособленные единицы, члены которых имели схожую среду обитания и биологические черты в разных местах и в разное время.

Связанное исследование, опубликованное в The ISME Journal, показало, что процветание бактерий SAR11 в прибрежной зоне или в открытом океане может зависеть всего от нескольких генов, находящихся под сильным давлением естественного отбора. Эти открытия демонстрируют, как небольшие генетические различия могут приводить к значительным экологическим расхождениям, помогая объяснить, каким образом SAR11 поддерживают свое разнообразие, несмотря на огромные размеры популяций и глобальное распространение.