Шведские пресноводные бактерии обнаруживают утраченные гены и неожиданные способности к фотосинтезу

Бактерии относятся к числу самых разнообразных и древних форм жизни на Земле. Тем не менее, большая часть того, что известно о них, происходит от небольшой группы видов, в основном изученных на предмет их роли в здоровье человека.

«Подавляющее большинство видов бактерий остаются неизученными, и это действительно ограничивает наше понимание того, как бактерии формируют экосистемы и эволюционировали, чтобы процветать в различных средах», — говорит Джоэл Халлгрен, ведущий автор исследования.

Большинство бактерий размножаются посредством простого симметричного деления клеток. Однако представители одной особой группы, Caulobacterales, известной своим «стебельчатым» внешним видом, отклоняются от этого образца. Они имеют более сложный жизненный цикл, включающий асимметричное деление клеток в результате образуются два различных типа клеток: один подвижный и исследовательский, а другой сидячий и репродуктивный.

Эволюционные причины этого сложного жизненного цикла уже давно озадачивают ученых. Известно также, что бактерии Caulobacterales широко распространены в окружающей среде и считаются важными деградаторами растительного вещества в природе, но их экология и эволюция остаются плохо изученными.

Генетические открытия Caulobacterales

Исследователи из Стокгольмского университета проанализировали ДНК всех известных видов Caulobacterales, включая недавно собранные образцы из лесных озер Швеции и Финляндии. Их выводы были опубликованы в Природные коммуникации.

Они обнаружили, что у некоторых пресноводных видов отсутствует более сотни генов, обычно связанных со сложным жизненным циклом группы.

Эти бактерии представляют три новых вида ранее неизвестного рода, который команда назвала Acaudatibacter, что на латыни означает «бактерия без хвоста».

Любопытно, что другой представитель почвенных Caulobacterales, выделенный в Эквадоре, также не имеет такого же набора генов жизненного цикла и, как исследователи наблюдали с помощью микроскопии, размножается посредством простого, симметричного деления клеток. Эта независимая потеря сложности в отдельных линиях дает представление о наборе генов, необходимых для сложных жизненных циклов бактерий.

«Удивительно видеть, что эволюция несколько раз меняла сложность жизненного цикла одним и тем же образом», — говорит Джоэл Халлгрен. «Это дает нам уникальную генетическую характеристику того, как сложность возникает и исчезает в ходе эволюции жизненных циклов бактерий».

Неожиданные открытия и сотрудничество

Исследователи также сделали еще одно неожиданное открытие: шведские озерные бактерии обладали всеми гены, необходимые для фотосинтезаспособность, ранее не известная у Caulobacterales, подчеркивающая, что фотосинтез более распространен среди бактерий, чем считалось ранее. Действительно, дальнейший анализ показал, что примерно 10% видов этой группы несут гены для сбора световой энергии.

«Приятно, что новые виды бактерий из моей страны открывают нам новый взгляд на фундаментальные концепции микробиологии», — говорит Халлгрен.

Исследование представляло собой тесное междисциплинарное сотрудничество между двумя исследовательскими группами Стокгольмского университета, обе базировались в SciLifeLab, национальной инфраструктуре наук о жизни, когда работа началась.

«Этот проект объединил опыт моей лаборатории в области биологии и генетики бактериальных клеток с обширным опытом в области микробной геномики и экологии группы Сарахи Гарсиа», — говорит старший автор Кристина Джонас.