Поведение бактерий в естественной среде оказалось отличным от лабораторных условий

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.

Читать также:  Ученые-зоологи открыли новый вид медузы, назвав его в честь самурая.

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.

Читать также:  Активация единственного гена позволила замедлить процессы старения клеток у мышей

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.

Читать также:  Белухи впервые показали способность узнавать себя в зеркале

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.