АцидобаНтерии — неизвестные доминанты наземных экосистем
С.Н.Дедыш, Ю.М.Серкебаева
...Наибольшее значение имеют наиболее массовые формы, которые в силу их <•банальности» остаются на обочине внимания, психологически концентрирующегося на экстраординарном, сенсационном.
Г.А.Заварзин
Нельзя не согласиться со словами, приведенными в эпиграфе к статье. В самом деле, наше внимание легко привлекает что-то необычное, не укладывающееся в рамки повседневности. Не составляют исключения и естествоиспытатели, старающиеся проникнуть в наиболее отдаленные уголки нашей планеты в поисках экзотических экосистем, неизвестных представителей флоры и фауны, а также микроорганизмов, которым посвящена настоящая статья. Известно, что микробы живут везде, даже там, где в силу физико-химических условий жизнь других организмов невозможна. Бытует мнение, что именно в таких экстремальных местообитаниях больше всего неизвестных микроорганизмов, и в поисках нового надо погружаться на дно океана, вскрывать льды Антарктиды или отправляться в долины вулканов и гейзеров.
Это неверно, далеко ходить не надо — достаточно наклониться и взять горсть земли из-под ног. В нескольких граммах лежащей на вашей ладони почвы обитает не меньше загадочных и неизвестных микроорганизмов, чем в образце, полученном из какого-либо экзотического местообитания. Установить этот поразительный факт удалось еще в начале 90-х
© Дедыш С.Н., Серкебаева Ю.М, 2013
Светлана Николаевна Дедыш, доктор биологических наук, заведующая лабораторией микробиологии болотных экосистем Института микробиологии им.С.Н.Ви-ноградского РАН. Область научных интересов — микробное разнообразие в северных болотных экосистемах, деструкция биополимеров в болотах, а также функции малоизученных групп бактерий.
Юлия Муратовна Серкебаева, аспирант той же лаборатории. Занимается изучением молекулярной экологии микроорганизмов.
годов XX в., когда для оценки микробного разнообразия стали использовать молекулярные методы. В 1992 г. при изучении микробов в почве впервые применили экстракцию тотальной ДНК и анализ последовательностей генов 16Э рРНК [1]. Оказалось, что большинство прочитанных фрагментов ДНК почвенных бактерий обнаруживают лишь очень отдаленное сходство с таковыми у известных микроорганизмов, т.е. принадлежат бактериям новых, неизвестных групп.
Одна из таких групп почвенных бактерий оказалась самой многочисленной. К концу 90-х годов в ней насчитывались уже несколько сотен расшифрованных нуклеотидных последовательностей генов 16Э рРНК. Эти бактерии были обнаружены не только в почвах, но и в осадках пресных водоемов, в горячих источниках, шахтных водах, торфяных болотах и наскальных микробиоценозах. В 1997 г.
эта быстрорастущая группа получила статус новой филы в домене Bacteria и была названа Acidobacteria [2], созвучно единственному известному на тот момент представителю — ацидофильной аэробной бактерии Acidobacterium capsulatum. Ее выделили японские микробиологи из кислых дренажных вод рудных отвалов [3]. Означает ли такое название, что все виды этой группы — ацидофилы? Нет, ацидобактерии весьма разнообразны по физиологическим характеристикам и живут в различных местообитаниях, однако наиболее многочисленны в наземных экосистемах, и в частности в почвах.
Ацидобактерии — типичные обитатели почв
Тот факт, что Ас1с1оЬас1епа — одна из типичных и численно доминирующих групп почвенных бактерий, пока еще не вошел в учебники. Объясняется это тем, что классическими методами посева, до недавнего времени традиционно использовавшимися для изучения микробного населения почвы, обнаружить ацидобактерии нельзя. Они растут гораздо медленнее, чем хорошо знакомые микробиологам почвенные псевдомонады, бациллы, стрептомицеты и многие другие микроорганизмы. Кроме того, на подавляющем большинстве рутинных питательных сред ацидобактерии и вовсе не могут развиваться. Именно поэтому они так долго оставались неизвестными. Однако с введением в практику молекулярных методов оценки микробного разнообразия стало ясно, что ацидобактерии не только присутствуют во всех без исключения почвах, но и в ряде случаев составляют доминирующую группу.
Особенно ярко это было продемонстрировано с помощью одного из современных и точных мето-
дов оценки микробного разнообразия — пиросек-венирования* рибосомальных генов — своеобразных молекулярных «паспортов» микроорганизмов.
Этот метод позволяет считывать информацию с сотен тысяч микробных «паспортов», т.е. фактически делать перепись микробного населения исследуемого образца. Таким способом группа американских микробиологов провела масштабный анализ бактериального населения 88 почв из различных географических зон США. В результате выяснилось, что на долю ацидобактерий приходится от 15 до 60/6 всех полученных из образцов последовательностей генов 16Б рРНК [4]. Наиболее многочисленны ацидобактерии были в кислых почвах (рН менее 5), тогда как в нейтральных и слабощелочных численное преимущество переходило к другим группам прокариот, например к актинобактериям.
Много ли в России кислых почв? Ответ, неочевидный для неспециалиста, — да. На самом деле таких почв (с рН менее 6) в нашей стране большинство; преимущественно это почвы болотных экосистем (рН от 3-5 до 5) [5]. Их микробные сообщества и стали в нашей лаборатории главным объектом исследований. Мы применили метод пиросеквенирования генов 16Б рРНК для изучения бактериального разнообразия в торфе кислого сфагнового болота, типичного для севера России [б]. Самой многочисленной группой болотного микробного сообщества оказались ацидобактерии: на их долю в верхнем, аэробном, слое залежи приходилось около 35°6 всех проанализированных фрагментов ДНК и около 39°6 — в анаэробном, затопленном водой пласте торфа на глу-
* Пиросеквенирование — метод определения последователв-ности нуклеотидов в ДНК путем синтеза комплементарной цепи, когда присоединение каждого нуклеотида сопровождается регистрацией вв1свобождаюгцегося пирофосфата.
100
5 60
чша ■
4-5 5-6 6-7 pH почвы
7—8
>8
другие
Firmlcutes
Gemmatiomonade
Bacteroidetes
Deltaproteobacteria
Beta/Cammaproteobacteria Alphaproteobacteria Actinobacteria Acidobacteria
все почвы (среднее)
Соотношение числа нуклеотидных последовательностей генов 16Б рРНК филогенетических групп бактерий по данным молекулярного анализа микробного разнообразия почв с различными значениями рН [4].
верхним аэробный спой
уровень грунтовых вод
нижним анаэробный слой
Acidobacteria Alphaproteobacteria Actinobacteria Verrucomicrobia Deltaproteobacteria Cammaproteobacteria Planctomycetes Chlamydiae Bacteroidetes Firmlcutes Armatlmonadetes
TM6 AD3 WPS-2 Betaproteobacteria Cyanobacteria другие бактерии
аэробный слой анаэробный слой
10 15 20 25 30 35 относительная численность, %
40
< V
ВЙ 1
Состав микробных сообществ в торфе сфагнового болота по данным пиросеквенирования генов 16S рРНК [б]. Слева — профиль болота и зоны отбора образцов (отмечены фигурными скобками). Справа — соотношение числа нуклеотидных последовательностей генов 16S рРНК различных филогенетических групп бактерий в аэробном и анаэробном слоях сфагнового болота.
бине 0.5 м. Иными словами, аци-добактерии были доминантами бактериального сообщества как в аэробной,так и в анаэробной части профиля болота.
Чтобы увидеть клетки ацидо-бактерий непосредственно в торфе, мы воспользовались другим молекулярным методом — гибридизацией in situ с флуо-ресцентно-мечеными олигонук-леотидными зондами (метод FISH; fluorescent in situ hybridization). Зонд HoAc-1402, который специфически связывается с клетками ацидобактерий, позволил наблюдать компактные микроколонии или диффузные скопления этих бактерий на частицах полуразложившегося растительного материала. Судя по выявленным зондом клеткам, численность ацидобактерий в болотах достаточно высока — достигает десятков миллионов клеток в грамме торфа [7]. Почему же эта группа так плохо изучена и почему доступно так мало культур этих бактерий?
•
. , • '¡л ч, V,'»
•
10 мкм
Микрофотографии клеток ацидобактерий в сфагновом торфе. Слева — визуализация бактерий с помощью метода FISH (гибридизация с флуоресцентно-меченым зондом НоАс-1402, стрелками показаны связавшиеся с ним клетки); справа — окраска всех присутствующих в торфе клеток ДНК-специфичным красителем ДАФИ.
Здесь и далее фото авторов
Секреты культивирования ацидобактерий
Сразу поясним, что Acidobacteria — далеко не единственная филогенетическая группа в пределах Bacteria, которая остается малоизученной из-за недостатка культивируемых видов. Таких групп ДОВОЛЬНО МНОГО; из типичных для почв и торфов бактерий можно упомянуть веррукомикробий (Verrucomicrobia) и планктомицетов (Planctomy-cetes). Большая часть содержащихся ныне в Gen-Bank нуклеотидных последовательностей генов 16S рРНК этих бактерий была получена в виде клонов и принадлежит формам, не выделенным пока в чистых культурах. Последовательности генов известных видов составляют лишь ничтожную часть природного разнообразия этих бактерий. Существуют, конечно, так называемые груп-пы-кандидаты, в которых вообще нет культивируемых представителей. Они не имеют латинских наименований, а обозначаются буквенно-цифро-выми индексами (например, ТМ6, ТМ7 и OD1).
Контраст же составляют достаточно хорошо изученные филогенетические линии бактерий, представителей которых микробиологи научились сравнительно неплохо культивировать (такие как АсПпоЬас1епа).
Как уже упоминалось, ко времени формального описания группы Аас1оЬас1еиа в 1997 г. имелся лишь единственный охарактеризованный вид. К 2000 г. число таковых увеличилось до трех, сегодня же их не более двух десятков. Выделение и описание новых ацидобактерий происходило крайне медленно, несмотря на то что в последнее десятилетие разработаны молекулярные методы детекции этих микроорганизмов.
Еще совсем недавно для мирового научного сообщества микробиологов ключевым оставался вопрос о принципиальной возможности культивирования почвенных ацидобактерий. Положительный ответ на него получили австралийские микробиологи, которые раскрыли ряд «секретов», по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.