Геномный анализ микробных сообществ на границе «огня и льда»
Российские ученые нескольких институтов (ведущие авторы представляют лабораторию криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН в Пущино) при участии Института общей генетики РАН, в сотрудничестве с американскими коллегами впервые провели геномный анализ сообществ микроорганизмов, живущих в вулканических фумаролах, статья с результатами работы опубликована в журнале Scientific Reports.
Фумаролы – это трещины на поверхности в местах вулканической активности, через которые выходят горячие вулканические газы и пары. Они располагаются у подножья, на склонах вулканов или на поверхности кратеров. В последнем случае жизнь в таких местах оказывается буквально на границе «огня и льда», считается, что жить там могут лишь микроорганизмы-экстремалы – термофильные и гипертермофильные. Эти сообщества очень сложны для изучения. Прежде всего, из них трудно извлечь ДНК, так как для этого клетки нужно выделить из каменисто-песчаной почвы фумарол, а она плохо поддается разрушению. Задача состоит в том, чтобы извлечь из почвы метагеномную ДНК – суммарную ДНК всего микробного сообщества, а затем выделить из нее отдельные таксоны микроорганизмов.
В данной работе исследовали микробные сообщества высокогорных фумарольных полей в трех локациях: Эльбрус на Кавказе, вулкан Ушаковский на Камчатке и Фудзияма в Японии, где фумаролы находились в замерзшем состоянии. Сами образцы исследованных почв отличались по температуре – самыми горячими были образцы с Ушковского (+68,4 оС), средними по температуре – образцы с Эльбруса (+22,5 оС), а с Фудзиямы образцы извлекались из замерзшего керна с глубины.
Для извлечения метагеномной ДНК специалисты гомогенизировали образцы фумарольной почвы и решили методическую задачу, очень важную для всех будущих исследователей – они показали, какой тип гомогенизатора и режим надо использовать для максимального выхода ДНК.
Для идентификации микроорганизмов в совокупной ДНК микробного сообщества ученые анализировали вариабельный участок гена 16S рРНК. Анализ показал, что сообщества из разных локаций различаются по составу. Микробный состав фумарольного поля Эльбруса состоит из разнообразных типов и родов бактерий и архей. Преобладают бактерии из родов Acidobacteria, Proteobacteria и Chloroflexi. Также обнаружены археи Crenarchaeota и различные почвенные бактерии, такие как Verrucomicrobium и Planctomycetes. В образцах Эльбруса присутствует метанотроф Methylocapsa, которого нет в других образцах, что говорит о возможных залежах метана вблизи этого вулкана. Кроме того, одним из доминантных родов в фумаролах Эльбруса оказался Udaeobacter – бактерии этого рода способны к «фиксации» водорода, таким образом внося вклад в его глобальный цикл.
Микробное сообщество фумаролов вулкана Ушковский представлено, в основном, археями – в частности, Crenarcheota. Кроме того, были обнаружены термофильные бактерии, такие как Thermus и ацидобактерии Acidobacteria. В микробном сообществе замерзшей фумаролы с Фудзиямы обнаружены Proteobacteria, Actinobacteriota, Firmicutes и другие бактерии, в том числе термофильные Thermus. Это говорит о сохранении термофилов в замерзших вулканах, хотя их жизнеспособность надо проверять отдельно. Фумарола с Фудзиямы – единственная, где не было найдено архей. Кроме того, в фумаролах обнаружены грибы - преобладают Ascomycota и Basidiomycota.
Различия в составе микробного сообщества разных фумарол согласуются с разницей температуры, но и в пределах одной фумаролы микробные профили изменяются с глубиной слоев почвы. В целом, авторы считают, что микробное разнообразие и структура таких сообществ зависят от уникальных геохимических и термических характеристик каждой фумаролы, а также от физических свойств окружающего субстрата.
На вопрос, что нам дает изучение микробных сообществ фумарол для понимания биогеохимических процессов, ответила соавтор работы, зав. лабораторией сравнительной и функциональной геномики регуляторных систем, к.б.н. Мария Тутукина: «Такое исследование даст информацию о депонировании и эмиссии газов, в частности, метана, который вносит вклад в углеродный баланс.Возможно, это поможет предсказать направления дальнейшего изменения климата. Но чтобы делать более глобальные выводы, нужно полногеномное секвенирование и более точная метаболическая реконструкция, и мы над ней работаем».
Источник:
Shevchenko AY, Ursalov GI, Eromasova NI, Shelyakin PV, Gelfand MS, Tutukina MN, Abramov AA, Vishnivetskaya TA, Rivkina EM. Microbial diversity of high-elevated fumarole fields, low-biomass communities on the boundary between ice and fire. Sci Rep. 2025 May 13;15(1):16600. doi: 10.1038/s41598-025-99782-3.
https://www.nature.com/articles/s41598-025-99782-3
новость подготовила Надежда Маркина