10.09.2024

«Испытание ледяным ведром» показывает, что бактерии могут предугадывать смену времен года

Согласно исследованию, проведенному с помощью «испытания с ведром льда», бактерии используют свои внутренние 24-часовые часы, чтобы предвидеть наступление новых времен года.

Это открытие может иметь глубокие последствия для понимания роли, которую циркадные ритмы — молекулярная версия часов — играют в адаптации видов к изменению климата, от мигрирующих животных до цветковых растений.

Команда, стоящая за результатами, давала популяциям сине-зеленых водорослей (цианобактерий) различную искусственную продолжительность дня при постоянной теплой температуре. Образцы на пластинах получали либо короткие дни, либо дни равноденствия (равные свет и темнота), либо длинные дни в течение восьми дней.

После этой обработки сине-зеленые водоросли погружали в лед на два часа и следили за показателями выживаемости.

Образцы, которые подвергались воздействию коротких световых дней (восемь часов света и 16 часов темноты) в рамках подготовки к воздействию льда, показали показатели выживаемости в 75%, что в три раза выше, чем у колоний, которые не были подготовлены таким образом.

Одного короткого дня оказалось недостаточно, чтобы повысить устойчивость бактерий к холоду. Только после нескольких коротких дней, а оптимально — шести-восьми дней, шансы бактерий на выживание значительно улучшились.

У цианобактерий, у которых были удалены гены, составляющие их биологические часы, показатели выживаемости были одинаковыми независимо от продолжительности дня. Это указывает на то, что фотопериодизм (способность измерять цикл день-ночь и изменять свою физиологию в ожидании предстоящего сезона) имеет решающее значение в подготовке бактерий к долгосрочным изменениям окружающей среды, таким как новый сезон или сдвиги климата.

«Результаты исследования показывают, что бактерии в природе используют свои внутренние часы для измерения продолжительности дня, и когда количество коротких дней достигает определенной точки, как это происходит осенью, они «переключаются» на другую физиологию в ожидании зимних испытаний, которые их ждут», — пояснила первый автор исследования, доктор Луиза Джаббур, которая была научным сотрудником в Университете Вандербильта, штат Теннесси, в лаборатории профессора Карла Джонсона, когда проводилось это исследование, а в настоящее время является научным сотрудником BBSRC Discovery в Центре Джона Иннеса.

Лаборатория Джонсона имеет долгую историю изучения циркадных часов цианобактерий как с механистической, так и с экологической точки зрения.

Предыдущие исследования показали, что у бактерий есть своего рода биологические часы, которые позволяют им измерять разницу в продолжительности дня и ночи, что дает им эволюционное преимущество.

Это исследование, опубликованное в журнале Science , является первым случаем, когда кто-либо продемонстрировал, что фотопериодизм у бактерий развился для того, чтобы предвосхищать сезонные сигналы.

На основе этих результатов открывается совершенно новый горизонт научных исследований. Ключевой вопрос: как организм с продолжительностью жизни от шести до 24 часов вырабатывает механизм, позволяющий ему не просто реагировать, но и предвидеть будущие условия?

«Они как будто подают сигнал своим дочерним клеткам и клеткам-внучкам, передавая информацию о том, что дни становятся короче и нужно что-то делать», — сказал доктор Джаббур.

Доктор Джаббур и ее коллеги из Центра Джона Иннеса в рамках ее исследовательской стипендии BBSRC будут использовать цианобактерии в качестве быстро размножающегося модельного вида, чтобы понять, как фотопериодические реакции могут развиваться у других видов во время изменения климата, с перспективой их применения к основным сельскохозяйственным культурам.

Ключевой частью этой работы будет понимание молекулярных систем памяти, посредством которых информация передается из поколения в поколение у видов. Исследования будут изучать возможность того, что накопление соединений в течение ночи в короткие дни действует как молекулярный переключатель, который запускает изменение на другую физиологию или фенотип.

Для доктора Джаббур полученные результаты можно считать научным прорывом на раннем этапе ее карьеры, несмотря на первоначальный скептицизм со стороны ее научного руководителя и автора статьи, профессора Карла Джонсона.

«Помимо того, что Карл — увлекательная личность и источник вдохновения, он еще и поет в симфоническом хоре Нэшвилла, и у него оперный смех! Это разнеслось по всему отделу, когда я впервые изложил свою идею ледяного испытания, чтобы выяснить, является ли фотопериод сигналом для цианобактерий в их естественной среде», — сказал доктор Джаббур.

«Справедливости ради, он сказал мне пойти и попробовать, и когда я уходил, он показал мне табличку на своей двери с цитатой Фрэнка Вестхаймера: «Прогресс достигается молодыми учеными, которые проводят эксперименты, которые, по словам старых ученых, не сработают».

«Это сработало в первый раз. Затем я повторил эксперименты. Есть что-то очень ценное в том, чтобы смотреть на набор пластин с бактериями и осознавать, что в этот момент ты знаешь что-то, чего не знает никто другой».