Микромиры для микроорганизмов: прокариотные консорциумы, ассоциированные с инфузориями: 2021 г. этап 3

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

Получение новых знаний о сообществах микроорганизмов в природе, о возможной роли протистов как природных резервуаров для патогенных бактерий, о влиянии микробиома на жизнь организма-хозяина.

Layman's description

Целью проекта было описание микробиомов свободноживущих пресноводных инфузорий. Основным модельным объектом для такого анализа были выбраны инфузории Paramecium, также мы исследовали микробиомы инфузорий Euplotes и Stentor. Инфузории часто выступают хозяевами для специализированных симбионтов, таких как бактерии, археи или микроводоросли. Такие симбиозы могут носить разный характер, от выраженного паразитического до облигатно-мутуалистического взаимодействия. Как правило, симбионты локализуются внутри клеток инфузорий. Некоторые симбионты способны к активному захвату клеток хозяев, в то время как другие считаются неинфекционными.
Однако взаимодействия инфузорий с другими микроорганизмами не ограничиваются специализированным симбиозом. У инфузорий имеется собственный микробиом, каждая клетка может служить экологической нишей для достаточно разнообразного бактериального сообщества. Микробиомы инфузорий разительно отличаются по составу от бактериальных сообществ, характерных для среды обитания инфузорий. Микробиомы инфузорий одного вида, выделенных из разных биотопов, отличаются друг от друга. Различия характерны и для микробиомов инфузорий разных видов, выделенных в одном и том же биотопе. Интересно, что часто в микробиомах инфузорий обнаруживаются бактерии, относящиеся к родам, включающим патогенные для человека и животных или оппортунистические виды. Вероятно, инфузории выступают в роли природных резервуаров для бактерий, способных к взаимодействию с эукариотической клеткой. Такие бактерии могут существовать в окружающей среде, используя в качестве хозяина одноклеточных эукариот.

Key findings for the project

Основные результаты проекта сводятся к следующим:
- Микробиомы инфузорий всегда очень существенно отличаются от прокариотных сообществ их среды обитания.
- При переводе инфузорий в лабораторную культуру микробиомы обедняются, все равно сохраняя высокое таксономическое разнообразие. Микробиомы инфузорий в лабораторных культурах достаточно стабильны. Функциональная роль микробиомов пока остается невыясненной.
- Коровый микробиом для инфузорий одного вида отсутствует. Тем не менее, микробиомы инфузорий одного вида всегда более сходны, чем микробиомы инфузорий разных видов, а в каждом отдельно взятом биотопе микробиомы инфузорий одного вида характеризуются высокой степенью сходства.
- В микробиомах инфузорий Stentor coeruleus, Paramecium caudatum и Paramecium bursaria всегда присутствует существенное число представителей родов бактерий, которые включают патогенные, условно-патогенные или оппортунистические виды, или известны как комменсалы многоклеточных организмов. Таким образом, бактерии, стратегией которых является существование в ассоциации с эукариотом-хозяином, в отсутствие многоклеточного хозяина могут поддерживаться в природных нишах в составе микробиомов крупных протистов, таких, как инфузории. Среди выявленных нами в микробиомах инфузорий потенциально патогенных бактерий были представители таких родов, как Mycobacterium, Staphylococcus, Streptococcus, Acinetobacter, Pseudomonas.
- Нами обнаружены несколько новых родов симбиотических бактерий, обитающих внутри клеток инфузорий, и определено несколько родов бактерий, представители которых практически неизменно являются доминирующими в микробиомах Paramecium.
- Нами продемонстрирована возможность сукцессии симбионтов, когда при утрате основного цитоплазматического симбионта один из участников микробиома занимает освободившуюся нишу в клетке инфузории.
- Нами обнаружен второй представитель редкого семейства бактерий Deianiraeaceae (Rickettsiales), являющийся временным участником микробиома Paramecium calkinsi и ведущий хищнический образ жизни.

Key findings for the stage (in detail)

В 2021 году основное внимание мы уделили исследованию микробиомов двух видов Paramecium, P. caudatum и P. bursaria. В микробиомах обоих видов парамеций доминировали представители филумов Proteobacteria (у обоих видов в основном классы Betaproteobacteria и Alphaproteobacteria, у P. bursaria также был были представлены Deltaproteobacteria), Actinobacteria (больше у P. bursaria) и Bacteroidetes (больше у P. caudatum). Среди основных доминантных семейств были отмечены Comamodaceae, Sphingomonadaceae, Caulobacteraceae. В микробиомах обоих видов присутствовали бактерии семейства Iamiaceae. В микробиомах обоих видов было представлено более 60 родов бактерий, среди доминантных родов в микробиомах P. bursaria можно отметить Xanthobacter, Ancylobacter, Hydrogenophaga, Mycobacterium, Acinetobacter, Polaromonas, Cutibacterium, Curvibacter, Novosphingobium, Reyranella, Rhodoplanes, Variovorax, Caulobacter. В микробиомах P. caudatum преобладали Novosphingobium, Aurantimicrobium, Xanthobacter, Ancylobacter, Mycobacterium, неклассифицированные Rhodocyclales и Rhodospirillales, Oleiharenicola, Cloacibacterium, Pseudacidovorax, Runella, Cutibacterium, Duganella, Polaromonas, Pseudomonas, Sphingomonas, Trichococcus, Curvibacter.
В сборках результатов метабаркодинга микробиомов P. caudatum и P. bursaria обращали на себя внимание представленные среди доминант рода Mycobacterium, Acinetobacter, а также регулярно встречавшиеся, хотя, судя по числу OTU, и не доминировавшие в сообществах Streptococcus и Staphylococcus. Все эти рода включают виды, являющиеся истинными или условными патогенами человека и животных. Было также отмечено небольшое число ОТЕ потенциально патогенных Listeria sp. и Corynebacterium sp. По совокупности полученных нами данных мы считаем, что можно считать доказанным факт, что бактерии, стратегией которых является существование в ассоциации с эукариотом-хозяином, в отсутствие многоклеточного хозяина могут поддерживаться в природных нишах в составе микробиомов крупных протистов, таких, как инфузории.
Нами обнаружена симбиотическая система, где в качестве хозяина выступала инфузория Paramecium bursaria, которая, как и большинство представителей этого вида, содержала в цитоплазме зеленые микроводоросли, а также большое число крупных, образующих массовые скопления бактерий нового рода, относящегося к семейству Holosporaceae. Водоросли и бактерии находились в антагонистических отношениях; из-за этого культуру приходилось держать в темноте, так как иначе водоросли вытесняли бактерий из цитоплазмы клетки-хозяина. При секвенировании метагенома этого клона, помимо «основных» симбионтов, мы выявили несколько доминирующих в микробиоме видов бактерий, в том числе Flavobacterium album. Для оптимизации культивирования данного клона именно с бактериальными симбионтами мы предприняли попытку удалить из клеток P. bursaria микроводоросли с помощью действующего на некоторых эукариот антибиотика циклогексимида. Это удалось сделать, но одновременно с водорослями инфузории лишились и «первичного» симбионта. С помощью FISH с универсальными и специфичными зондами мы обнаружили, что при утрате основного бактериального симбионта произошла симбиотическая сукцессия – его место в цитоплазме заняли бактерии рода Flavobacterium из микробиома инфузории.

Key findings for the stage (summarized)

Бактерии, стратегией которых является существование в ассоциации с эукариотом-хозяином, в отсутствие многоклеточного хозяина могут поддерживаться в природных нишах в составе микробиомов крупных протистов, таких, как инфузории. Среди выявленных нами в микробиомах инфузорий потенциально патогенных бактерий были представители таких родов, как Mycobacterium, Staphylococcus, Streptococcus, Acinetobacter, Pseudomonas.
Нами продемонстрирована возможность сукцессии симбионтов, когда при утрате основного цитоплазматического симбионта один из участников микробиома занимает освободившуюся нишу в клетке инфузории.

Academic ownership of participants (text description)

Потехин А.А. Руководство проектом, выполнение исследований
Некрасова И.В., Мигунова А.В., Пенькова Е.В., Выполнение экспериментальных работ
Плотников А.О., Балкин А.С., Хлопко Ю.А. Секвенирование и биоинформатический анализ данных

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

не разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается
AcronymRFBR_a_2019 - 3
StatusFinished
Effective start/end date23/03/2128/12/21