Самый длинный из когда-либо собранных естественных метагеномных рядов, полученных с помощью микробов, выявил поразительную повторяющуюся эволюционную закономерность.
Согласно новому исследованию в Nature Microbiology, исследователи обнаружили, что в течение года большинство отдельных видов бактерий в озере Мендота быстро эволюционировали, по-видимому, в ответ на резко меняющиеся времена года. Варианты генов росли и падали на протяжении поколений, однако сотни отдельных видов возвращались, почти полностью, к почти копиям того, чем они были генетически до тысячи или около того поколений эволюционного давления. (Продолжительность жизни отдельных микробов составляет всего несколько дней — а не целые сезоны — поэтому работа ученых включала сравнение бактериальных геномов для изучения изменений видов с течением времени.) Это же сезонное изменение разыгрывалось из года в год, как будто эволюция была фильмом, который каждый раз прокручивали к началу и проигрывали снова, по-видимому, ни к чему не приводя.
«Я был удивлен, что такая большая часть бактериального сообщества претерпела подобные изменения», — сказал руководитель исследования Робин Ровер, научный сотрудник Техасского университета в Остине в лаборатории соавтора Бретта Бейкера. «Я надеялся увидеть всего пару интересных примеров, но их были буквально сотни».
Озеро Мендота сильно меняется от сезона к сезону — зимой оно покрыто льдом, а летом — водорослями. В пределах одного и того же вида бактерий штаммы, которые лучше приспособлены к одному набору условий окружающей среды, будут вытеснять другие штаммы в течение сезона, в то время как другие штаммы получат свой шанс проявить себя в другие сезоны.
Команда использовала уникальный архив из 471 образца воды, собранных за 20 лет из озера Мендота Макмахоном, Роуэром и другими исследователями из UW-Madison в рамках финансируемых Национальным научным фондом долгосрочных проектов мониторинга. Для каждого образца воды они собрали метагеном , все генетические последовательности из фрагментов ДНК, оставленных бактериями и другими организмами. Это привело к самому длинному временному ряду метагенома, когда-либо собранному из естественной системы.
«Это исследование полностью меняет правила игры в нашем понимании того, как микробные сообщества меняются со временем», — сказал Бейкер. «Это только начало того, что эти данные расскажут нам о микробной экологии и эволюции в природе».
В этом архиве также были выявлены более долгосрочные генетические изменения.
В 2012 году озеро столкнулось с необычными условиями: ледяной покров растаял рано, лето было жарче и суше обычного, поток воды из реки, впадающей в озеро, сократился, а водоросли, которые являются важным источником органического азота для бактерий, были более редкими, чем обычно. Как обнаружили Ровер и его команда, многие бактерии в озере в тот год испытали значительный сдвиг в генах, связанных с метаболизмом азота, возможно, из-за дефицита водорослей.
«Я думал, что из сотен бактерий я смогу найти одну или две с долгосрочным сдвигом», — сказал Ровер. «Но вместо этого у 1 из 5 были большие изменения последовательностей, которые разыгрывались годами. Мы смогли глубоко проникнуть только в один вид, но некоторые из этих других видов, вероятно, также имели серьезные изменения генов».
Климатологи прогнозируют, что в ближайшие годы на Среднем Западе США ожидаются более экстремальные погодные явления, такие как жаркое и сухое лето на озере Мендота в 2012 году.
«Изменение климата медленно смещает времена года и средние температуры, но также вызывает более резкие, экстремальные погодные явления», — сказал Ровер. «Мы не знаем точно, как микробы отреагируют на изменение климата, но наше исследование предполагает, что они будут эволюционировать в ответ как на эти постепенные, так и на резкие изменения».
В отличие от другого известного эксперимента по эволюции бактерий в Техасском университете, эксперимента по долгосрочной эволюции, исследование Рохвера и Бейкера включало эволюцию бактерий в сложных и постоянно меняющихся условиях природы. Исследователи использовали суперкомпьютерные ресурсы Техасского передового вычислительного центра (TACC) для реконструкции бактериальных геномов из коротких последовательностей ДНК в образцах воды. Та же работа, которая заняла пару месяцев в TACC, заняла бы 34 года с помощью ноутбука, подсчитал Рохвер, включая более 30 000 геномов примерно 2800 различных видов.
«Представьте, что геном каждого вида — это книга, а каждый маленький фрагмент ДНК — это предложение», — сказал Ровер. «В каждом образце есть сотни книг, все они разрезаны на эти предложения. Чтобы собрать каждую книгу заново, нужно выяснить, из какой книги взято каждое предложение, и собрать их обратно по порядку».
