Метаболическая адаптация листа к витаминной ауксотрофии

Журнал ISME, том 16, страницы 2712–2724 (2022 г.) Процитировать эту статью

5002 доступа

3 цитаты

34 Альтметрика

Подробности о метриках

Ауксотрофы не могут синтезировать все метаболиты, необходимые для их метаболизма, и полагаются на других, чтобы обеспечить их. Их интенсивно изучали на мутантах, созданных и эволюционировавших в лаборатории, но возникающие механизмы адаптации к ауксотрофии систематически не изучались. Здесь мы исследовали ауксотрофию у бактерий, выделенных из листьев Arabidopsis thaliana, и обнаружили, что до половины штаммов имеют ауксотрофные потребности в биотине, ниацине, пантотенате и/или тиамине. Затем мы исследовали генетическую основу ауксотрофии, а также черты, которые сопутствуют витаминной ауксотрофии. Мы обнаружили, что ауксотрофные штаммы обычно хранят коферменты, способные экспоненциально расти в течение 1–3 удвоений без витаминных добавок; однако самые высокие наблюдаемые запасы наблюдались у биотина, что позволило добиться 9 удвоений в одном штамме. В экспериментах по совместному культивированию мы продемонстрировали снабжение ауксотрофов витаминами и обнаружили, что ауксотрофные штаммы сохраняют более высокое видовое богатство, чем прототрофы, при внешнем добавлении витаминов. Расширение модели потребительских ресурсов предсказало, что ауксотрофы могут использовать соединения углерода, предоставленные другими организмами, предполагая, что ауксотрофные штаммы извлекают выгоду из побочных продуктов метаболизма, помимо витаминов.

Коэнзимы необходимы для клеточного метаболизма. Они составляют основу многих ферментативно-катализируемых реакций (например, окислительно-восстановительных реакций, трансаминирования и образования углерод-углеродных связей), а также служат переносчиками одноуглеродных звеньев и органических кислот [1]. Организмы с дефектами биосинтеза — ауксотрофы — должны получать коферменты или молекулы-предшественники коферментов, т. е. витамины, за счет внешнего поступления. Поскольку для обеспечения роста они полагаются на поступление витаминов из окружающей среды, нестабильность коферментов усугубит потребность во внешних поставках. Недавно было показано, что углеродный остов коферментов стабилен in vivo [2]. Фактически, долговечность коферментов, т. е. отсутствие внутриклеточной деградации и восстановления, является врожденным свойством, которое могло быть выбрано эволюционно [2, 3] и может считаться предпосылкой пролиферации ауксотрофных организмов. Ауксотрофные потребности могут быстро меняться в лабораторных экспериментах по эволюции в богатых питательными веществами средах, как показано на популяциях Escherichia coli [4]. Ауксотрофные штаммы также были выделены из природы и часто являются результатом потери генов [5,6,7]. Однако в настоящее время неясно, насколько распространены ауксотрофы у бактерий в большинстве сред. В ряде недавних исследований были представлены прогнозы потребностей в питании непосредственно на основе геномных данных с использованием либо метаболических моделей в масштабе генома, либо выявления пробелов в геномах без экспериментального подтверждения [8,9,10,11,12,13] или сосредоточения экспериментального подтверждения на небольшом количестве штаммы [14,15,16]. Эти исследования были использованы для прогнозирования сетей взаимодействия микробных сообществ, что, в свою очередь, позволило сделать вывод о метаболическом перекрестном питании в бактериальных сообществах [17]. Частота ауксотрофии коферментов, нуклеиновых оснований и аминокислот у секвенированных бактерий была оценена в ходе компьютерного анализа и могла достигать 75% [13], хотя эти анализы, вероятно, демонстрируют высокий уровень ложноположительных результатов по сравнению с экспериментально полученными данными [13]. 18].

Ауксотрофам требуется внешнее снабжение витаминами, что ставит вопрос о физиологических и других адаптациях ауксотрофов, в том числе о запасании витаминов. Давно известно, что ауксотрофные молочнокислые бактерии сохраняют рост после удаления витаминов [19]. Хотя было показано внутриклеточное хранение таких элементарных соединений, как углерод, фосфор и азот [20,21,22], хранение малых молекул, включая витамины и коферменты, в настоящее время недостаточно изучено. Также неясно, насколько широко распространено потенциальное хранение в бактериях окружающей среды. Возобновился интерес к оценке хранения разнообразных соединений из-за экологических последствий способности микробов поддерживать рост без внешнего доступа к ресурсам [23]. Прототрофные штаммы E. coli, мутировавшие по генам, участвующим в биосинтезе коферментов, т. е. «искусственные» ауксотрофные мутанты, после удаления незаменимого витамина обладают запасной способностью лишь примерно на одно удвоение [2]. Этот двукратный избыточный пул коферментов, вероятно, является минимальным требованием для поддержания устойчивости метаболизма к расширению клеток во время клеточного деления. Эти результаты привели нас к гипотезе, что для ауксотрофов, обитающих в природе, где поставка кофермента может быть неустойчивой, возможно, развились разные стратегии борьбы с зависимостью от питательных веществ и хранения кофермента. Потеря биосинтеза одного соединения может также повлиять на функцию клетки более системным образом. Прямые физиологические последствия, возникающие в результате потери биосинтеза, были изучены на модельных организмах, таких как E coli, Bacillus subtilis и Acinetobacter baylyi, и включают улучшение физической формы [4, 13, 24] и потенциал перекрестного питания [25, 26]. Эти исследования показывают, что, пока доступны необходимые питательные вещества, ауксотрофы вытесняют дикий тип. Можно предположить, что при наличии достаточного эволюционного времени могут быть выбраны другие черты, чтобы компенсировать потерю биосинтетической способности. Эта потеря важной функции, например, определенного пути биосинтеза, может затем распространиться на другие соединения, которые доступны в теперь обязательной нише, а также на функции, которые помогают справиться с нехваткой питательных веществ. Последнее может включать, например, оптимизацию использования ауксотрофных коферментов в метаболических путях, увеличение запасов витаминов, вложение большего количества энергии в системы восстановления или оптимизацию роста и скорости поглощения питательных веществ [9, 27,28,29].