Исследователи из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и Кильского университета (CAU) под руководством профессора Себастьяна Фрауне на примере актинии Nematostella vectensis исследуют вклад микробиома в тепловую адаптацию живых организмов. Как они обнаружили, этот вклад имеет решающее значение, и они сообщают об этом в текущем выпуске журнала Nature Communications .
Все многоклеточные организмы заселены невообразимо большим количеством микроорганизмов и эволюционировали вместе с ними с самого начала эволюционной истории жизни. Естественный микробиом , то есть совокупность этих бактерий, вирусов и грибков, живущих в теле и на теле, имеет фундаментальное значение для организма в целом: он выполняет жизненно важные задачи для хозяина, например, помогает усвоению питательных веществ и помогает защититься от патогенов.
Исследовательская группа из HHU и CAU теперь изучает, как микробиом помогает организму адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. В исследовании Совместного исследовательского центра (CRC) 1182 «Происхождение и функция метаорганизмов» они исследовали участие микробиома в тепловой адаптации анемонов в так называемом эксперименте по акклиматизации.
Исследователи под руководством профессора Себастьяна Фрауна из Института зоологии и взаимодействия организмов HHU, который также является руководителем проекта CRC 1182 в Киле, смогли показать, что бактериальная колонизация животных меняется в результате акклиматизации. Кроме того, организм актинии становится более устойчивым к тепловому стрессу. Кроме того, исследовательской группе удалось доказать причинно-следственную связь : если микробиом адаптированных к теплу анемонов перенесли на неакклиматизированные актинии, то последние также стали менее чувствительными к более высоким температурам. Это особенно важно в связи с изменением условий окружающей среды в результате изменения климата.
Длительный акклиматизационный эксперимент
Новая работа основана на долгосрочном исследовании, в ходе которого исследователи более четырех лет изучали адаптацию актиний к изменяющимся условиям окружающей среды. Для этого они работали с клонами одного исходного животного и сравнивали 50 генетически идентичных анемонов в каждой из 15 разных колоний. Исследователи разделили эти колонии на три группы, которые содержались при температуре 15, 20 и 25 градусов по Цельсию, чтобы проанализировать их акклиматизацию к разным температурам.
В течение длительного периода наблюдения стали очевидны характерные изменения в так называемом фенотипе актиний, т. е. в их внешней форме, в том числе в физиологических особенностях: среди прочего, животные значительно крупнее при более низких температурах, изменились их репродуктивные функции. режим.
Изменения в переносимости температуры также были особенно интересны. «Анемоны очень сильно различались по своей стрессоустойчивости к высоким температурам. Если мы подвергали их очень высокому температурному стрессу в 40 градусов по Цельсию в течение шести часов, животные, акклиматизировавшиеся при 25 градусах по Цельсию, почти всегда выживали», — говорит Лаура Бальдассар, ведущий автор. исследования.
Предыдущие исследования показали, что адаптация к температурному стрессу может быть связана с изменениями в составе микробиома животных. Анализ бактериальной колонизации различных колоний в эксперименте по акклиматизации снова подтвердил эту гипотезу, поскольку микробиом акклиматизированных животных также изменился по сравнению с их неакклиматизированными сородичами.
«То, что эта акклиматизация, так называемая фенотипическая пластичность, может частично контролироваться бактериями, кажется очень вероятным. Их гораздо более короткое время генерации позволяет гораздо более быструю адаптацию, чем это было бы возможно с помощью генетической рекомбинации организма-хозяина», — говорит Фрауне. В настоящее время доказано, что действительно существует причинно-следственная связь между изменением микробиома и температурной адаптацией.
Трансплантация микробиома дает подтверждение
«В эксперименте по трансплантации мы перенесли микробиомы анемонов, акклиматизированных к 15, 20 и 25 градусам Цельсия, неадаптированным, но генетически идентичным животным. Оказалось, что эти животные впоследствии также приобрели устойчивость к высоким температурам», — говорит Бальдассарре.
Таким образом, при пересадке всего микробиома животного может пересаживаться и фенотип с его измененной температуроустойчивостью. Профессор Фрауне говорит, что они «смогли установить причинно-следственную связь между составом микробиома и адаптацией к окружающей среде. Таким образом, мы экспериментально подтверждаем так называемую концепцию хологенома, которая определяет эволюцию как развитие организмов-хозяев с их колонизирующими микроорганизмами в направлении общих преимуществ приспособленности для весь метаорганизм».
Затем исследовательская группа проанализировала, может ли измененный микробиом из-за тепловой акклиматизации передаваться между анемонами — необходимое условие для длительного процесса адаптации. В предыдущей работе ученые уже показали, что у Nematostella некоторые бактерии могут передаваться от родительского поколения к потомству. Таким образом, эволюционное преимущество тепловой адаптации в принципе может передаваться по наследству напрямую, и родственные бактерии не обязательно должны поглощаться из окружающей среды. Настоящее исследование предоставляет дополнительные доказательства передачи материнских бактерий потомству: как и родители, потомство также показало более высокую вероятность выживания в условиях температурного стресса, когда материнские животные были акклиматизированы при 25 градусах Цельсия.
Изучение механизмов на видовом уровне
Своими выводами исследователи помогают лучше понять роль взаимодействия между организмами-хозяевами и микробами в процессах адаптации к быстро меняющимся условиям окружающей среды . «Наши результаты предлагают новые объяснения механизмов быстрой тепловой адаптации, опосредованных микробиомом, и того, как они передаются последующим поколениям», — сказал Фраун.
В дальнейших исследованиях ученые из Дюссельдорфа и Киля теперь хотят детально изучить механизмы акклиматизации, уделяя особое внимание роли отдельных вовлеченных видов бактерий. С этой целью проводится подробный геномный анализ бактерий для запланированной третьей фазы финансирования CRC 1182 Немецким исследовательским фондом (Deutsche Forschungsgemeinschaft — DFG). Они прольют свет на возможные индивидуальные взаимоотношения бактерий с некоторыми метаболическими процессами клеток-хозяев и их влияние на температуроустойчивость организма в целом.
«В целом важно более подробно понимать бактериальный компонент тепловой акклиматизации. Вероятно, он играет фундаментальную роль во многих других живых организмах, от различных животных и растений до общих экосистем, таких как коралловые рифы. Поэтому более глубокое знание лежащих в основе процессов имеет решающее значение для лучшей оценки или, возможно, смягчения последствий глобальных изменений для видов и мест обитания», — сказал Фраун.
