Málo početné mikroorganismy jsou klíčové pro stabilitu a přežití mikrobiálních společenstev

Nová studie ukazuje, že málo početné bakteriální druhy (tj. druhy, které v mikrobiálním společenstvu nedosahují více jak jedné desetiny procenta jedinců) hrají velmi důležitou roli v celkové stabilitě celého ekosystému. Vědci publikovali závěry ze svého výzkumu v aktuálním čísle časopisu Applied and Environmental Microbiology. 

„Cílem naší práce bylo pochopit, jak se biodiverzita (tj. druhová bohatost) mikroorganismů podílí na fungování ekosystému,“ říká spoluautor studie Kostas Konstantinidis, Ph.D.

I když jeden druh mikroorganismu tvoří ve společenstvu pouze mizivý zlomek procenta, tak může s dalšími málo početnými kolegy vlastně tvořit většinu mikrobiální populace. Jak je to možné? Vzácných a málo početných bakteriálních druhů může totiž být v mikrobiálním společenstvu velké množství (až několik stovek druhů). Přes malou početnost jedinců jednotlivých druhů této tzv. „vzácné biosféry“ (rare biosphere) mohou v součtu představovat klidně až 50% z celkového počtu bakteriálních druhů.

Jak autoři ukázali ve své aktuální studii, málo početné bakteriální druhy obsahují obrovský a hlavně různorodý genetický rezervoár, ve kterém jsou mnohé pozoruhodné geny – například geny pro rozklad důležitých organických polutantů. Může z toho mít nějaký profit celé mikrobiální společenstvo? Autoři tvrdí, že ano a že tato „vzácná“ složka je klíčová pro udržení stability celého společenstva. Hlavně v případech, kdy je společenstvo vystaveno extrémním a nenadálým změnám prostředí.

Autoři z Georgie Institute of Technology v Atlantě uskutečnili tento výzkum tzv. mezokosmovým experimentem, ve kterém použili 20ti litrové inkubační nádoby. Ty pak inokulovali vodou z nedalekého jezera Lanier.

Poté vědci přidali do systému malé množství tří vybraných organických chemikálií (polutantů), které původní vzorek vody z jezera neobsahoval. Důvodem pro volbu těchto polutantů bylo, že běžné chemické látky v jezeře využívají druhy bakterií s velkým počtem jedinců. Takové látky by tedy moc neposloužily k výzkumu málo početných bakteriálních druhů. Autoři přidali polutanty v takových koncentracích, které by se do systému mohly reálně dostat (samozřejmě s výjimkou katastrofálního znečištění).

Vědci použili 2,4-dichlorfenoxyacetát (2,4-D), široce využívaný herbicid, který je endokrinním disruptorem a podle Interantional Agency for Research on Cancer (IARC) se řadí mezi potenciální lidské karcinogeny. Dále vybrali kofein (1,3,7-trimethyluronovou kyselinu) a 4-nitrofenol (4-NP), který bývá používán při výrobě některých fungicidů a je zároveň produktem rozkladu některých pesticidů.

„Vybrali jsme si právě tyto sloučeniny, protože jejich biodegradační dráhy a příslušné geny jsou známy a dobře popsány“, říká Konstantinidis. To vědcům usnadnilo práci. Poté na základě izolace DNA z mikrobiálního společenstva, kvantitativní PCR (polymerázové řetězové reakce) a následného čtení DNA identifikovali bakterie, které na přítomnost zvolených polutantů zareagovaly.

V průběhu experimentu vědci opakovaně odebírali vzorky z mezokosmů a zjišťovali, u kterých mikroorganismů došlo po přidání chemikálie ke zvýšení nebo naopak snížení počtu jedinců. Zjistili, že bakterie (a geny), které byly na počátku experimentu pod detekčním limitem, po přidání polutantů přibyli a vědci je byli schopni zachytit.

„Ověřili jsme hypotézu, že málo početné bakteriální druhy mikrobiálnímu společenstvu umožňují skrze svou metabolickou pestrost degradovat přidané sloučeniny“, dodává Konstantinidis. Málo početné druhy tedy obsahují obrovský rezervoár genů, které se aktivují právě při nenadálých změnách prostředí. Pokud by byl takový rezervoár nedostatečný nebo bylo společenstvo málo druhově bohaté, nedokázalo by se zřejmě s podobnou situací vypořádat a mohlo by dojít k jeho zhroucení. Další studie ukazují možné scénáře, jak málo početné druhy ovlivňují fungování celého mikrobiálního společenstva. Za určitých podmínek se mohou z málo početných druhů stát druhy, které v mikrobiálním společenstvu dominují. A to se pak může různě opakovat. Některé druhu mohou po opravdu dramatické změně podmínek zcela převládnout, a pokud podmínky přetrvávají (např. díky přítomnosti polutantu), stanou se dominantními druhy na velmi dlouhou dobu.

Motivací výzkumu byla snaha pochopit, jak málo početné mikrobiální druhy reagují na nenadálé změny prostředí, včetně výskytu různých organických chemikálií, které se dostávají do vody díky člověku. „Mezi tyto události patří splach pesticidů z blízkých polí, olejové skvrny při úniku pohonných hmot ale třeba i změna klimatu“, upozorňuje Konstantinidis. Otázky, které jejich výzkum zodpověděl, se týkají i role pestrosti mikrobiálního společenstva a jeho vlivu na fungování ekosystému. To zahrnuje i zachování odolnosti (resilience) mikrobiálního společenstva vůči znečištění lidskou činností. V budoucnu se vědci chtějí zaměřit např. na důsledky ztráty biodiverzity důsledkem masivního znečištění polutanty nebo i vlivem klimatických změn.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

American Society for Microbiology. Importance of rare microbial species is much greater than you think. ScienceDaily. ScienceDaily, 3 March 2017. <www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170303131023.htm>

Yuanqi Wang et al. (2017) Quantifying the importance of the rare biosphere for microbial community response to organic pollutants in a freshwater ecosystem. Applied and Environmental Microbiology, doi: 10.1128/AEM.03321-16

Michael D. J. Lynch and Josh D. Neufeld (2015)  Ecology and exploration of the rare biosphere. Nature Reviews Microbiology 13,  217–229. doi:10.1038/nrmicro3400