В контексте изменения климата феномен обедненных кислородом районов в океане в последние годы стал объектом научного внимания. Эти области, известные как зоны кислородного минимума (OMZ), расположены, например, в Индийском океане или у побережья Перу в Тихом океане. В зависимости от глубины воды там содержится мало кислорода или его вообще нет.

В новом исследовании междисциплинарная исследовательская группа с участием Кильского университета и Центра океанологических исследований имени ГЕОМАРА Гельмгольца в Киле смогла собрать ранее неизвестные подробности о происхождении и адаптации некоторых одноклеточных организмов к этим особым условиям окружающей среды и их влиянии на морской круговорот питательных веществ: поскольку их метаболизм не зависит от Кроме того, в ОМЗ водятся многочисленные виды фораминифер. Это одноклеточные, образующие оболочку микроорганизмы, которые уже имеют клеточное ядро и, таким образом, принадлежат к так называемым эукариотам.

Их особый образ жизни основан на так называемом анаэробном дыхании или нитратном дыхании, при котором нитрат, имеющийся в воде, превращается в молекулярный азот в отсутствие кислорода. Азот, являющийся основным питательным веществом для всех живых организмов, в результате этого процесса больше не является биологически доступным и, таким образом, теряется для морской среды обитания. Исследовательская группа, возглавляемая профессором Талом Даганом из Института общей микробиологии Кильского университета, теперь смогла доказать с помощью анализа генома, что способность к нитратному дыханию, все еще сохраняемая у большинства фораминифер сегодня, могла возникнуть у общего предшественника около 100 миллионов лет назад.

Их анализ также показал, что фораминиферы, вероятно, полагаются на бактериальную поддержку для определенного этапа процесса нитратного дыхания, также известного как денитрификация, и поэтому связаны с определенными симбиотическими видами бактерий. Исследователи из Киля, которые работают в Кильском эволюционном центре (KEC) и Центре совместных исследований (CRC) 1182 Происхождение и функции метаорганизмов, недавно опубликовали свои результаты вместе с международными коллегами в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследовательская группа изучила образцы донных отложений из перуанского ОМЗ и смогла идентифицировать около десяти различных видов фораминифер, обитающих на морском дне. Из предыдущих исследований известно, что почти все эти виды способны к нитратному дыханию. Поэтому ученые искали гены, которые, вероятно, участвуют в метаболизме нитратов.

"Действительно, многие из этих генов были обнаружены в наших образцах из Перу. Поскольку было показано, что эти виды способны к нитратному дыханию, мы смогли установить причинно-следственную связь между присутствием генов и их функцией", - говорит первый автор доктор Кристиан Веле, бывший член группы Дагана по геномной микробиологии в Кильском университете.

На следующем этапе исследователи проследили, как давно могло произойти эволюционное приобретение нитратного дыхания. Для этого они создали так называемые филогенетические деревья, которые визуализируют отношения между различными видами, чтобы определить возможного общего предка. "Таким образом, мы смогли сузить временной промежуток для трех конкретных групп фораминифер. Всем более ранним видам не хватало генетического оборудования для нитратного дыхания", - объясняет Веле. "Таким образом, мы могли бы реконструировать, что они, вероятно, восходят к общему предшественнику, который, должно быть, развил эту черту в меловой период около 100 миллионов лет назад", - продолжает Веле.

В ходе метагеномного анализа перуанского образца материала исследователи также изучили генетический материал всех обнаруженных видов, чтобы установить возможные симбиотические отношения между различными фораминиферами и бактериями. Во-первых, сравнение с видами фораминифер из отдаленных мест показало, что они часто ассоциируются со сходным и стабильным составом видов бактерий, независимо от географии.

"В нашем исследовании мы также заметили связь между определенным родом фораминифер и так называемыми десульфобактериями. Ранее было замечено, что эти бактерии являются колонизаторами других групп фораминифер", - сказала доктор Александра-Софи Рой, бывший член группы геномной микробиологии.

Еще одно указание на симбиотические отношения между этими бактериями и денитрифицирующими фораминиферами было обнаружено в виде так называемого гена NapA. У десульфобактерий он отвечает за фермент, который может инициировать начало многоступенчатого процесса нитратного дыхания.

"Более ранние исследования показали, что именно этот первый шаг не может быть выполнен самими фораминиферами. Поэтому кажется правдоподобным, что бактерии берут на себя эту часть нитратного дыхания, например, превращая нитрат в нитрит, который полезен для их хозяев, и, следовательно, образуют стабильный симбиоз с фораминиферами", - объясняет Рой.

"Наша работа над происхождением и эволюцией генетической основы древнего метаболизма нитратов дает нам важные новые идеи для лучшего понимания современных глобальных биогеохимических циклов", - говорит профессор Тал Даган, член правления KEC и руководитель проекта CRC 1182. В частности, по ее словам, возможное участие бактерий в нитратном дыхании в обедненном кислородом океане является важным, но пока недостаточно изученным компонентом, который нуждается в дальнейших исследованиях в будущем.

"Ускоряющиеся темпы глобальных экологических изменений требуют углубленных знаний о круговороте и распределении элементарных веществ в океане. Наши новые результаты способствуют лучшему пониманию влияния изменения климата на кислородзависимые циклы питательных веществ в океане и их воздействия на морские организмы", - добавляет доктор Йоахим Шенфельд из GEOMAR, который также принимал участие в исследовании.

ИСТОЧНИК