Sötvattensbakterier med små genom genomgår ofta långa perioder av adaptiv stagnation. Baserat på genomiska analyser av prover från Zürichsjön och andra europeiska sjöar, har forskare vid universitetet i Zürich avslöjat specifika evolutionära strategier som formar dessa bakteriers livsstil. Att förstå den evolutionära dynamiken hos akvatiska mikrobiella samhällen är nyckeln till att skydda ekosystemtjänster.
Sötvattenresurser är begränsade och står för endast 3,5 % av jordens vatten, med bara 0,25 % tillgängligt på ytan. Ändå är sötvattensjöar väsentliga för ekosystemens funktion och globala kolkretslopp på grund av deras höga biologiska produktivitet och mikrobiella aktivitet. De är avgörande för människans överlevnad, tillhandahåller dricksvatten och stödjer jordbruk, fiske och rekreation. Men klimatförändringar – särskilt stigande temperaturer – hotar dessa livsmiljöer genom att störa mikrobiella samhällen som är avgörande för näringsämneskretslopp och underhåll av vattenkvalitet.
"Med tanke på de viktiga roller som bakteriearter spelar i sötvattensmiljöer och deras livsviktiga ekologiska funktioner, är förståelsen av deras anpassningsförmåga till förändrade miljöförhållanden avgörande för ekosystemets motståndskraft och hållbar resursförvaltning", säger Adrian-Stefan Andrei. Han är chef för Microbial Evogenomics Laboratory vid Institutionen för växt- och mikrobiologisk biologi vid University of Zurich (UZH).
Hans forskargrupp analyserade tidsserieprover från fem europeiska sötvattensjöar, insamlade mellan 2015 och 2019:Zürichsjön, Thunsjön och Bodensjön i Schweiz, tillsammans med Římov-reservoaren och Jiřická-dammen i Tjeckien. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications .
"Även om nischanpassning är den huvudsakliga evolutionära mekanismen som driver populationsdiversifiering och uppkomsten av nya arter, visar våra resultat överraskande nog att många rikliga sötvattensbakterier med små genom ofta upplever långa perioder av adaptivt stillastående", säger Andrei.
Denna avstängning av adaptiva processer utmanar den konventionella förväntningen att mikrobiella arter kan anpassa sig till förändrade miljöförhållanden.
"Med tanke på de viktiga funktioner som dessa mikrobiella samhällen spelar i sötvattensystem, understryker vår studie vikten av att förstå gränserna för bakteriell anpassningsförmåga", tillägger forskaren.
Utsöndrade proteiner som indikatorer på evolutionär anpassning
Bakterier anpassar sig till sina miljöer genom att använda specialiserade proteiner, som kan utsöndras i det omgivande mediet eller bindas till deras cellmembran. Dessa proteiner spelar avgörande roller i näringsupptag, interbakteriell kommunikation och detektering av och svar på miljöstimuli. Bakteriers anpassningsförmåga beror vanligtvis på den genetiska mångfalden inom generna som kodar för dessa proteiner.
Forskarna visar dock nu att i rikliga sötvattensbakterier med minskade genomstorlekar finns det förvånansvärt liten variation i dessa gener, vilket indikerar en fas av adaptiv stagnation. Dessa bakterier kan därför möta utmaningar när det gäller att anpassa sig till förändrade miljöförhållanden.
"Våra observationer tyder på att dessa bakterier sannolikt har uppnått konditionstoppar genom att nå idealiska proteinstrukturer och aktivitetsnivåer", säger Andrei.
Deras proteomer har redan uppnått ett optimalt tillstånd genom evolutionens gång, där ytterligare stora förändringar varken är fördelaktiga eller nödvändiga för att organismerna ska överleva och anpassa sig till sina nuvarande nischer. Denna inneboende oflexibilitet begränsar dessa organismers förmåga att utforska ny genetisk variation och effektivt anpassa sig till dynamiska miljöförhållanden.
"Denna kunskap är avgörande när vi navigerar i de eskalerande effekterna av klimatförändringar, som avsevärt hotar sötvattenshabitat - miljöer som är särskilt mottagliga för antropogena förändringar", avslutar Andrei.
Mer information: Lucas Serra Moncadas et al, sötvattengenom-reducerade bakterier uppvisar genomgripande episoder av adaptiv stasis, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47767-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Zurich
