В биологии существует «Гипотеза Черной Королевы» (Black Queen hypothesis). Она гласит: если в процессе эволюции бактерия понимает, что ее «соседи» выделяют в почву какое-то нужное вещество (например, аминокислоту), ей становится энергетически невыгодно производить его самой. Ей проще «отключить» у себя этот генетический цех, сэкономить ресурсы и просто забирать вещество из окружающей среды.
Новое исследование, проведенное учеными Университета Оснабрюка, Германия, в сотрудничестве с исследователями из Кембриджского университета, Великобритания, показывает, насколько масштабно этот процесс происходит в реальной дикой природе, а не в изолированных лаборатория. Исследование, проведенное под руководством профессора Кристиана Коста, опубликовано в журнале Nature Microbiology.
Профессор, доктор наук Кристиан Кост работает в Оснабрюкском университете. Он возглавляет кафедру экологии на факультете биологии и химии этого университета. Его научная группа (Kost Lab) специализируется на изучении того, как различные микроорганизмы сотрудничают, коммуницируют и эволюционируют вместе в дикой природе.
Ученые взяли образцы почвы в городе Йена (Германия). Биологи изолировали и изучили почти 7 000 штаммов бактерий, которые входили в состав 27 различных подземных сообществ. Каждый штамм проверили в лаборатории на способность самостоятельно синтезировать жизненно важные питательные вещества.
Половина оказалась иждивенцами. Около 50% всех почвенных бактерий отнесены к «ауксотрофами» — они не способны производить все необходимые для жизни аминокислоты. Находясь в одиночестве, эти бактерии погибают. Но в естественной среде они выживают, потому что растут в тесных «коммунах», где соседи делятся недостающими элементами. Такой обмен питательными веществами делает всю колонию более устойчивой к внешним угрозам и позволяет бактериям эффективно заселять новые типы почв.
«В целом, наши исследования подтверждают гипотезу Черной Королевы и показывают, что почвенные бактерии не просто конкурируют за питательные вещества. Вместо этого они сосуществуют в своего рода сети, в которой снабжают друг друга питательными веществами, что и обеспечивает их выживание», — сказал Кост. Кроме того, результаты дали дополнительное объяснение тому, почему изолированные штаммы бактерий часто трудно культивировать в лабораторных условиях.
Раньше микробиологи пытались вырастить большинство бактерий в одиночных пробирках и не понимали, почему многие «отказываются» расти в неволе. Теперь ясно: их нельзя изучать порознь, так как они являются частью единой метаболической сети, где все зависят от добрососедских отношений.
«Это исследование дает новое представление о том, как бактерии сосуществуют друг с другом в своей естественной среде. Полученные результаты также могут помочь нам лучше понять бактериальные сообщества, играющие важную роль в биомедицине или сельском хозяйстве», заключил исследователь.
Открытие поможет улучшить разработку биоудобрений в виде синтетических микробных консорциумов, то есть «готовые команды» из 3–5 видов бактерий. В такой команде они делятся друг с другом аминокислотами, гарантированно выживают в почве и обеспечивают корни растений азотом и фосфором в разы эффективнее.
Понимание того, как бактерии обмениваются питательными веществами, позволяет «подселять» нужные кооперации микробов к корням конкретных культурных растений (пшеницы, кукурузы и др.). Бактериальные сети улавливают микроэлементы из почвы и передают их растению, что позволяет на 30–50% снизить объемы внесения агрохимических удобрений.
Используя открытые немецкими учеными принципы, можно создавать «закваски» для почвы. Внесение правильных цепочек бактерий-партнеров запускает цепную реакцию: микробы реанимируют метаболическую сеть, ускоряют гниение органики и возвращают плодородие истощенным землям за гораздо быстрее по сравнению с естественным восстановлением.
Источник: Osnabrück University. Автор: Вивьен Вент.