Исследование, опубликованное в выпуске PLoS ONE от 29 сентября, является первым, в котором идентифицированы и количественно определены потенциально денитрифицирующие бактерии в кишечнике и скорлупе устриц, и впервые сделано это с помощью новой компьютерной программы, которая определяет активность бактерий на основе последовательностей рибосомных структур. Гены РНК.
Денитрификация – это процесс, с помощью которого нитраты и нитриты – соединения, которые способствуют чрезмерному обогащению прибрежных вод – превращаются в газообразный азот, безвредный для водных сред. Избыток азота от очистных сооружений, сельскохозяйственных удобрений и других источников антропогенного происхождения может привести к образованию «мертвых зон» с низким содержанием кислорода, сокращению промысловых уловов и потере среды обитания морской травы. Чесапикский залив – одна из многих экосистем во всем мире, которые пострадали от этих воздействий.
Ведущий автор исследования – Энн Арфкен, доктор философии.D. студентка лаборатории ВИМС доцент, соавтор Б.К.
Сонг. Другие соавторы – доктора.
Джефф Боуман из Института океанографии Скриппса и Майкл Пилер из Университета Северной Каролины.
«Большинство исследований, посвященных денитрификации, связанной с устрицами, были сосредоточены на отложениях внутри устричных рифов и вокруг них», – говорит Арфкен. «Наша работа впервые исследует возможность денитрификации микробиомами, живущими внутри устриц и на самих устрицах.«Микробиом» – это сообщество микроскопических организмов, которые населяют каждое живое существо, от клещей, обитающих на ваших ресницах, до бактерий, обитающих в корнях томатов.
Результаты исследования имеют важное значение для усилий по снижению уровня питательных веществ в прибрежных водах за счет восстановления устриц. «Мы обнаружили, что раковины устриц содержат уникальные микробные сообщества с более высокой денитрификационной активностью, чем отложения», – говорит Сонг. "Таким образом, можно сократить количество питательных веществ в начале проекта восстановления устриц, поскольку микробиомы скорлупы активно удаляют фиксированный азот."
Финансовая и логистическая проблема
Недавние исследования показывают, что микробиомы играют ключевую роль в физиологии и экологии организма, но, по словам Сонг, «изучение связи между генетической структурой и функциями микробиома уже давно является сложной задачей."
Это проблема как с финансовой, так и с материально-технической точки зрения. «Исследования всей генетической структуры организма – его генома – очень дороги и могут не работать для образцов, в которых доля микробов низка», – говорит Сонг. "В результате многие исследования полагаются на секвенирование ампликонов генов рибосомной РНК для идентификации микробных таксонов.«Этот подход менее затратный, но дает ограниченное представление о метаболических путях, связанных с различными микробиомами – в данном случае, обладают ли они генами, необходимыми для денитрификации.
Для решения этих проблем команда использовала новую технику, разработанную Bowman. Названный «PAPRICA» – для предсказания пути ПА с помощью филогенетической плаценты – он позволяет исследователям делать выводы о метаболических путях по последовательностям генов, связанных с небольшой субъединицей рибосомы, называемой 16S рРНК.
«Мы объединили настраиваемую геномную базу данных с программой PAPRICA, чтобы идентифицировать бактерии, несущие гены денитрификации, среди микробиомов, связанных с кишечником устриц, раковинами и рифовыми отложениями», – говорит Сонг.
Он объясняет: «Это было бы похоже на различие между разными человеческими популяциями, сравнивая количество заболеваний желудка с геном, необходимым для переваривания молока."
Затем исследовательская группа измерила скорость денитрификации в камерах, содержащих живые устрицы, раковины устриц или отложения, собранные рядом с устричными рифами, обнаружив гораздо более высокие показатели в камерах, в которых содержатся живые устрицы и раковины. Когда они сравнили эти показатели с обилием генов денитрификации в трех микробиомах, они увидели сильную корреляцию между высокими показателями денитрификации и генной последовательностью, называемой nosZI.
«Мы обнаружили, что бактерии, несущие гены nosZI, являются важными денитрификаторами и способствуют удалению азота из устричных рифов», – говорит Арфкен.
Однако исследователи предупреждают, что необходимы дополнительные исследования. «Мы должны быть осторожны, делая вывод о денитрификации и других метаболических процессах на основании наличия гена в бактериальном геноме», – говорит Арфкен. "Эти процессы часто чрезвычайно сложны и требуют скоординированной экспрессии нескольких разных генов. Более того, многие организмы могут нести ген, но не выражать его ». Последняя проблема, по ее словам, заключается в том, что« многие бактерии остаются неклассифицированными или идентифицировали геномы, которые являются неполными или низкого качества."
Но исследователи сохраняют оптимизм. «Мы рады продолжить исследования для дальнейшего подтверждения использования генетических метаболических выводов в качестве надежного метода оценки метаболического потенциала микробиомов», – говорит Сонг.