Авторы недавнего исследования поставили перед собой задачу выяснить, какие изменения происходят с бактериями при переходе от лабораторных условий к корневой системе растения. В ходе работы было установлено, что в процессе роста на корнях у бактерий наблюдается существенная модификация «белкового профиля» и перестройка ряда физиологических процессов. Специалисты в области микробиологии отмечают, что столь значительные различия в поведении микроорганизмов при культивировании в лабораторных пробирках и в естественной среде обитания затрудняют полное понимание их функциональных ролей.

Ученые давно выращивают бактерииВ лабораторных условиях, на искусственных питательных средах, ученые наблюдают за микроорганизмами под микроскопом и детально описывают их характеристики. Этот метод позволяет осуществлять контроль над процессом эксперимента и проводить точное сопоставление полученных данных. Благодаря такому подходу изучаются не только структурные особенности клеток, но и физиологические процессы, происходящие в микроорганизмах, включая метаболизм, регуляцию генетической активности и взаимодействие с другими живыми существами.

Однако результаты лабораторных исследований не всегда можно напрямую экстраполировать на естественные условия существования. Разница между этими двумя средами весьма существенна.

В частности, бактерия, находящаяся на корневой системе растения, взаимодействует с другими микроорганизмами и получает доступ к сложной смеси веществ, поступающих в корневую зону. Эта смесь включает сахара, аминокислоты, органические кислоты и другие соединения, состав и концентрация которых постоянно варьируются. Помимо этого, бактерия реагирует на химические сигналы, выделяемые растением. Все эти факторы оказывают комплексное влияние на ее физиологию.

Таким образом, возникает вполне обоснованный вопрос о том, в какой степени поведение бактерий, культивируемых в лабораторных условиях, отражает их реальное поведение непосредственно на корне растения. Микробиологи обладают информацией о генетическом составе и белках многих видов бактерий. Однако гораздо менее изучено, какие именно гены и белки активируются у микроорганизмов при жизни в естественной среде обитания.

Для изучения данного вопроса группа американских микробиологов во главе с Анной-Катариной Гаррелл ( Anna-Katharina Garrell) из Университета штата Северная Каролина осуществила научное исследование. Специалисты отобрали семь видов бактерий, которые ранее были выделены из корневой системы кукурузы, и провели их сравнение в двух существенно различающихся условиях: в минимальной питательной среде, созданной в лабораторных условиях ( in vitro) и непосредственно на корневой системе растения (in planta).

Следует подчеркнуть, что микроорганизмы не культивировались в обычной почве с естественным составом микробного сообщества. Вместо этого использовались стерильные растения, и каждый вид бактерий изучался по отдельности, чтобы оценить их реакцию на факторы, создаваемые корнем.

Для проведения эксперимента были выбраны виды бактерий, демонстрирующие способность к стабильной колонизации корней кукурузы. Их геномная информация была ранее определена, что позволило исследователям установить соответствие между обнаруженными пептидами и конкретными белками. Для анализа белкового состава бактерий в различных условиях применялся метод жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS).

Гаррелл и ее соавторы установили, что при адаптации из лабораторных условий к корневой системе происходит существенная модификация набора синтезируемых белков. По оценкам, доля измененных белков, поддающихся измерению, варьировалась у различных бактерий от 20 до 60 процентов. Таким образом, после подобной адаптации микроорганизмы демонстрировали значительную перестройку клеточных процессов: концентрация одних белков возрастала, а других – уменьшалась.

В некоторых случаях наблюдалось увеличение активности передвижения бактерий. Они усиливали функции, необходимые для перемещения в окружающей среде и поиска благоприятных мест для колонизации. Другие бактерии, наоборот, фиксировались на поверхности корня, снижая свою подвижность.

Микроорганизмы активировали различные механизмы, позволяющие им взаимодействовать с растениями и другими микроорганизмами. Например, у Enterobacter ludwigiiВ области корней наблюдалось увеличение концентрации фермента, отвечающего за высвобождение фосфатов, что свидетельствует об усилении способности растения переводить фосфаты в форму, доступную для усвоения. Кроме того, у определенных видов растений изменялась активность систем транспортировки сахаров.

Замеченное разнообразие реакций указывает на то, что даже микроорганизмы, имеющие общее происхождение, могут применять различные подходы при колонизации растения. Иными словами, «белковый профиль» одних и тех же бактерий демонстрировал значительные различия между лабораторной средой и корневой системой кукурузы.

Исследователи во главе с Гаррелл настоятельно рекомендуют проявлять осмотрительность при анализе результатов экспериментов с бактериями, выполненных в условиях лаборатории. Использование исключительно лабораторной среды для культивирования бактерий может привести к тому, что исследователь увидит не истинную физиологию микроорганизма, а лишь его адаптацию к искусственно созданным условиям.

Специалисты полагают, что полученные данные будут способствовать разработке более совершенных микробиологических препаратов, направленных на повышение продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных культур. Для создания действенного средства недостаточно просто определить состав бактериального сообщества, присутствующего на корнях; необходимо также понять механизмы, обеспечивающие их прикрепление к растению. Эти знания в перспективе позволят формировать микробные сообщества с заданными полезными характеристиками.

Выводы исследователей представлены в журнале mSystems.