Арктические микробы постоянно обмениваются ДНК в оттаивающей вечной мерзлоте

Фото из открытых источников

В глубине торфяников северной Швеции миллиарды микробов постоянно приобретают, теряют и обмениваются фрагментами ДНК. Эти крошечные организмы помогают контролировать перемещение углерода в окружающей среде.

По мере медленного оттаивания мерзлой арктической земли микроорганизмы влияют на то, останутся ли огромные запасы углерода в почве или улетучятся в атмосферу в виде парниковых газов. Понимание того, как эти организмы адаптируются, может улучшить возможности ученых в изучении изменения климата и прогнозировании того, как экосистемы реагируют на потепление климата.

После восьми лет изучения образцов почвы, собранных в болоте Стордален, представляющем собой вечномерзлотное торфяное болото недалеко от Полярного круга, исследователи обнаружили, что микроорганизмы обмениваются генами в огромных масштабах. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Microbiology.

Микробы — это живые организмы, настолько маленькие, что их невозможно увидеть без микроскопа. Несмотря на то, что каждый из них несет свою собственную ДНК, они также могут получать фрагменты генетического материала из окружающей среды или от других микробов посредством подвижных генетических элементов.

Эти небольшие фрагменты ДНК перемещаются между организмами и переносят гены из одной клетки в другую. Используя передовые методы биоинформатики, исследовательская группа идентифицировала примерно 2,1 миллиона мобильных генетических элементов в микроорганизмах, обитающих в шведских торфяниках.

Команда также исследовала РНК, чтобы определить, какие из этих генетических элементов активно перемещались, и проанализировала ДНК, чтобы выявить данные о прошлых перемещениях. Результаты показывают, что обмен генами может затрагивать до половины всех микробных популяций в сообществе в любой момент времени.

«Это не редкие события», — сказала соавтор исследования Сара Бэгби из Колледжа искусств и наук в Университете Кейс Вестерн Резерв. «Микробные сообщества постоянно отбирают новые комбинации генов».

Ученые часто изучают мобильные генетические элементы, поскольку они способствуют распространению устойчивости к антибиотикам. Данное исследование раскрывает гораздо более широкую картину. Исследователи обнаружили, что многие из перенесенных генов связаны с повседневными функциями, которые микробы выполняют просто для того, чтобы выжить.

«Большинство исследований мобильных генетических элементов сосредоточены на передаче устойчивости к антибиотикам, но такого рода конкурентное взаимодействие — это лишь малая часть того, что делают эти микробы», — сказала Бэгби. «Примерно половина функций, на которые, как мы обнаружили, влияют мобильные генетические элементы, связаны с основными, повседневными клеточными процессами — теми, которые микробам необходимы просто для жизни, а не для борьбы с угрозами».

Вечная мерзлота хранит огромные запасы углерода, который оставался замороженным на протяжении тысяч лет. По мере повышения температуры оттаивание почвы делает больше этого углерода доступным для микроорганизмов. Их активность помогает определить, останется ли углерод в земле или будет выброшен в атмосферу в виде парниковых газов, таких как метан.

Исследование показало, что мобильная ДНК часто изменяет гены, участвующие в круговороте углерода, переработке питательных веществ и других процессах, формирующих функционирование экосистем. Это означает, что генетический обмен может влиять на скорость адаптации микробных сообществ к изменению условий окружающей среды.

В отличие от более крупных организмов, микробы обладают необычным преимуществом при изменении условий.

«В отличие от нас, микробы могут поглощать ДНК из окружающей среды и начинать ее использовать», — сказала Бэгби. «У каждого микроба есть набор основных генов, необходимых ему для существования, но он также имеет доступ к гораздо большему и гибкому пулу генов в окружающем мире. В популяции, состоящей из миллиардов клеток, реагирующих на изменения, многие не выживут, но некоторые добьются успеха, потому что им удалось получить дополнительный фрагмент ДНК в нужный момент».

Полученные результаты стали следствием почти десятилетнего международного сотрудничества. В течение восьми лет ученые собирали образцы в северной Швеции, а затем объединили их с крупномасштабным генетическим анализом, чтобы проследить перемещение ДНК в микробных сообществах. Помимо того, что исследователи показали, насколько активен обмен генами в природе, они разработали методику, которая может помочь ученым измерять генетическую мобильность в экосистемах по всему миру.

Поскольку изменение климата продолжает преобразовывать ландшафты, понимание того, как микроорганизмы адаптируются, может стать все более важной частью понимания того, как реагирует углеродный цикл Земли.