У коралла астрангии во время зимней спячки меняется микробиота — как у сусликов

Рис. 1. Северный звездчатый коралл (Astragnia poculata) имеет очень сложную систему симбиотических отношений, включая факультативный симбиоз. На этой фотографии, например, показаны кораллы в симбиозе с водорослями-зооксантеллами (они бурые, см. Zooxanthellae) и кораллы без зооксантелл (белые). Фото с сайта en.wikipedia.org

Во время «зимней спячки» коралла Astrangia poculata состав населяющих его микроорганизмов сильно меняется. За время покоя коралл освобождается от болезнетворных бактерий и параллельно обзаводится большим количеством микробов, вовлеченных в цикл азота. Вероятно, эти микробы поддерживают азотистый обмен хозяина, пока он не может питаться, и помогают ему пережить зиму. Самое интересное, что подобное происходит в организме млекопитающего — тринадцатиполосного суслика.

Некоторые кораллы способны впадать в зимнюю спячку. Особенно это касается кораллов, живущих в водах умеренной климатической зоны, — таких, как северный звездчатый коралл, или астрангия (Astrangia poculata). Он населяет широкий ареал, простирающийся от экваториальной Африки до северного побережья США, — и в некоторых частях ареала ему приходится сталкиваться с холодом и голодом в зимний период. Это непростое время он переживает точно так же, как медведи или грызуны, — впадает в анабиоз, втягивая щупальца и переставая двигаться и питаться.

Астрангия — дом и симбионт для многих микроорганизмов, включая бактерии, археи и даже эукариотические водоросли (рис. 1). Из-за своей доступности и разнообразия симбиотических взаимосвязей она стала модельным организмом для изучения взаимоотношений «микроорганизм — коралл». Такие исследования помогают понять причины разрушения коралловых рифов — в частности, обесцвечивание кораллов (см. Coral bleaching).

Кишечник млекопитающих тоже вмещает в себя целый микроскопический зоопарк — и ранее было установлено, что у медведей, ос-наездников и тринадцатиполосных сусликов (Ictidomys tridecemlineatus) состав симбионтов во время спячки сильно меняется. А происходит ли что-нибудь подобное с кораллом?

Это решила выяснить группа исследователей из Калифорнийского университета в Дейвисе под руководством Ани Браун (Anya L. Brown). Чтобы получить «снимок» всего микробного сообщества, населяющего коралл, они использовали метод секвенирования ДНК и РНК с последующим биоинформатическим анализом. Этот метод лучше подходит для получения микробного «пейзажа», по сравнению с традиционными подходами вроде выращивания микробного сообщества в лабораторных условиях: на чашке Петри можно вырастить далеко не все микроорганизмы, которые окажутся в образце, взятом из сложной биосистемы вроде внутренностей коралла.

Исследователи восемь раз отбирали пробы кораллов в разные периоды года: перед «спячкой», во время и после нее (рис. 2). Это дало возможность отследить изменения микробиома со сменой периодов активности и покоя.

Рис. 2. Время отбора проб кораллов, наложенное на точечную диаграмму температуры воды в градусах Цельсия. Желтым обозначены пробы, взятые до периода покоя, серым — во время периода покоя, фиолетовым — после «пробуждения». Рисунок из обсуждаемой статьи в AEM

Первой находкой исследователей стало снижение видового разнообразия микроорганизмов, населяющих коралл, в период «спячки». Оно снижалось по мере входа в период покоя и резко возрастало после «пробуждения», а у спящего коралла микробный пейзаж был куда скучнее, чем у «бодрствующего» (рис. 3).

Рис. 3. Индексы разнообразия микробиома кораллов до входа в период покоя (желтый цвет), во время периода покоя (серый цвет) и после выхода из него (фиолетовый цвет). Цветовая кодировка соответствует рис. 2. Заметно снижение всех индексов в период «спячки» и их резкий рост после «пробуждения». Графики из обсуждаемой статьи в AEM

Интересно, что аналогичные количественные изменения наблюдались у более сложных организмов, впадающих в спячку: например, у тринадцатиполосных сусликов (Ictidomys tridecemlineatus) в период анабиоза кишечник тоже населен меньшим количеством видов (рис. 4, H. V. Carey et a;., 2013. Seasonal restructuring of the ground squirrel gut microbiota over the annual hibernation cycle). Похоже, это общая для животных тенденция — несмотря на эволюционное расстояние и абсолютно разное строение.

Рис. 4. Динамика разнообразия микробиома кишечника у сусликов (здесь используются другие индексы по сравнению с рис. 3). Однако заметно, что разнообразие максимально весной и в период материнства, а минимально поздней зимой — примерно как у кораллов. Данные из статьи H. V. Carey et a;., 2013. Seasonal restructuring of the ground squirrel gut microbiota over the annual hibernation cycle

Качественный состав микробиоты кораллов тоже менялся коренным образом (рис. 5). За время спячки из нее «ушли» патогенные бактерии — представители рода Pseudomonas, близкие родственники синегнойной палочки, и представители порядка Rickettsiales — родственники возбудителей сыпного тифа и пятнистой лихорадки Скалистых гор. Такое очищение от патогенов во время «спячки» — не уникальная особенность коралла. Любимый исследователями старения модельный червь Caenorhabditis elegans также образует спящие личинки при столкновении с патогенными бактериями, тем самым обеспечивая своему «роду» возможность пережить наступившую «эпидемию». Жалко, что люди не умеют впадать в спячку во время вспышки опасной инфекции и просыпаться уже после ее окончания — это пригодилось бы во время пандемии COVID-19.

Рис. 5. Относительная численность бактерий разных таксономических групп до, после и во время периода покоя. Вверху (A–F) — данные для бактерий, численность которых во время спячки снижается. Среди них — вероятные патогены (обозначены коричневой бактерией). Внизу (G–O) — данные для бактерий, численность которых возрастает во время и после периода покоя. Среди них — симбионты, участвующие в цикле азота (зеленые бактерии). Рисунок из обсуждаемой статьи в AEM

Параллельно со снижением количества патогенов был зафиксирован рост количества бактерий, участвующих в глобальном биогеохимическом цикле азота: аммоний-окисляющих бактерий из рода Ca. Nitrosopumilis и порядка Nitrosococcales, нитратредукторов из порядка Rhizobiales и бактерий рода Magnetospira, которые, вероятно, фиксируют азот. Такой впечатление, что все участники цикла азота во время спячки собираются в организме коралла, — и отчасти это так и есть.

Понять причину этих изменений снова помогли данные для тринадцатиполосных сусликов (M. D. Regan et al., 2022. Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season). В состоянии анабиоза суслик не питается. Затраты энергии у него тоже минимальны, так что энергетический баланс у него сходится. Но азотистый обмен остановить нельзя — в отсутствие притока аминокислот с пищей суслик неизбежно терял бы ценный азот аминогрупп с выделяемой мочевиной.

Суслика выручают бактерии, живущие у него в кишечнике. Они расщепляют мочевину, проникающую в просвет кишки через эпителий, до аммиака. Далее другие бактерии синтезируют из этого аммиака аминокислоты, которые затем всасываются в кровь через кишечный эпителий. Синтез аминокислот из аммиака может также происходить в печени, куда всосавшийся аммиак доставляется с кровью. Получается такой круговорот азота внутри отдельно взятого суслика, позволяющий животному сберечь аминогруппы в период голодания (рис. 6). Так кишечные симбионты суслика отчасти компенсируют его функции, выпадающие в период спячки, давая ему возможность пережить это время.

Рис. 6. Последовательность биохимических событий в организме суслика, прослеженная в помощью радиоактивно меченных метаболитов. Во время спячки организм суслика продолжает образовывать мочевину, которая секретируется в просвет кишечника. Там бактерии разлагают ее до аммиака, а другие бактерии синтезируют из получившегося аммиака аминокислоты. Аминокислоты всасываются в кровь, тем самым позволяя суслику вновь использовать выделенный азот. Включение аммиака в состав аминогрупп может происходить и в печени. В итоге получается круговорот азота в спящем суслике, позволяющий ему сберегать азот. Рисунок создан по материалам статьи M. D. Regan et al., 2022. Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season

Если для сусликов метаболизм азота в период зимней спячки прослежен с помощью радиоактивно меченных метаболитов, то для кораллов у нас есть лишь косвенные данные, полученные из огромного массива секвенированных ДНК и РНК. Но то, что в одном коралле зимой происходит массовое сборище участников круговорота азота, тоже наводит на некоторые мысли. Возможно, они также создают круговорот азота в миниатюре и сберегают азот коралловому полипу (рис. 7).

Рис. 7. Бактерии, численность которых повышается во время и после периода покоя коралла, и их предполагаемое место в цикле азота внутри «спящего» полипа. Рисунок создан по материалам обсуждаемой статьи в AEM

Коралл, в отличие от млекопитающих, выделяет азот в виде аммиака (иона аммония), и присутствие в спящем полипе аммоний-окисляющих бактерий, как и их «коллег» по циклу азота, довольно логично. Однако, присутствие бактерий, окисляющих нитрит в нитрат и даже фиксирующих атмосферный азот (!!) заставляет предположить, что цикл азота в спящем коралле выглядит еще интереснее. Пока нет прямых экспериментальных данных, которые его бы характеризовали, поэтому на рис. 7 представлен ориентировочный вариант, на котором размещены бактерии, численность которых повышается в периоде покоя.

Это интригующее открытие заставляет по-новому взглянуть на роль микробиоты в жизни многоклеточных организмов. Мы привыкли относиться к ней как к чему-то факультативному, но у спящего кораллового полипа, как и у спящего суслика, она поддерживает жизненно важные биохимические процессы. Да, человек не впадает в спячку, но на наших бактериях «держится» много других разных процессов. Они еще ждут своих ярких открытий, которые помогут нам осознать этот мир внутри отдельно взятого человека. Ну или суслика.

При подготовке иллюстраций использован сервис научной графики biorender.com.

Источник: Anya L. Brown, Koty Sharp, Amy Apprill. Reshuffling of the coral microbiome during dormancy // Applied and Environmental Microbiology. 2022. DOI: 10.1128/aem.01391-22.

Георгий Куракин