Адаптированные к холоду микроорганизмы могут процветать и колонизировать любую низкотемпературную среду обитания на Земле, включая полярные регионы, приполярные горы и глубоководные среды.
Они являются одними из первых колонизаторов таких экстремальных сред обитания и включают различные виды архей, бактерий, грибов, водорослей и других микроэукариот. Эти микроорганизмы продемонстрировали большой экологический, сельскохозяйственный и биотехнологический потенциал для применения в целях агроэкологической устойчивости. Они являются отличным источником коммерчески важных антифризов, холодоактивных ферментов, белков холодового шока и метаболитов.
Адаптированные к холоду микроорганизмы были изучены для стимулирования роста растений, биоремедиации и утилизации отходов при низких температурах. Психрофильные микроорганизмы приспособились выживать в условиях низких температур, используя различные механизмы. Несколько адаптаций на молекулярном и биохимическом уровнях помогают психрофильным и психротрофным микроорганизмам осуществлять жизненно важные клеточные процессы в условиях различных абиотических стрессов, преобладающих в холодной среде.
Адаптированные к холоду сельскохозяйственно важные микроорганизмы являются экономически эффективной и экологически безопасной альтернативой агрохимикатам для высокогорных агроэкосистем. Среди них Arthrobacter, Bacillus, Paenibacillus, Pseudomonas и Rhodococcus, которые были обнаружены в этих холодных местах обитания. Они продемонстрировали многофункциональные свойства, включая фиксацию атмосферного азота, солюбилизацию фосфора, производство сидерофоров, солюбилизацию и мобилизацию калия, производство фитогормонов и другие полезные для растений функции. Однако потенциал холодоадаптированных микроорганизмов для сельскохозяйственных целей до конца не изучен. Поэтому необходимо детальное исследование их способности стимулировать рост растений, структуры сообществ, а также временные и пространственные полевые испытания.
Данный обзор включает три оригинальных исследования и одну обзорную статью по холодоадаптированным микроорганизмам. Turchetti et al. разработали геномный подход для оценки и сравнения адаптивных особенностей видов дрожжей, обитающих в Итальянских Альпах, альпийском и антарктическом регионах. Подход раскрывает адаптивные стратегии эукариотических микроорганизмов в условиях холода: синтез белков холодового шока, криопротекторов и антифризов; предотвращение неправильного сворачивания белков и образования внутриклеточного льда; регуляция экспрессии генов и клеточного транспорта. Кроме того, для повышения выживаемости дрожжами используется синхронизация проницаемости мембран, транспорта электронов и поглощения питательных веществ. Среди белков, помимо синтеза более длинных и гидрофильных петель, в условиях холода увеличивалась доля остатков глицина, в то время как содержание пролина и аргинина снижалось. Кроме того, исследователи обнаружили несколько небольших открытых рамок считывания и высокую генетическую избыточность среди адаптированных к холоду дрожжей, что необходимо учитывать в будущих исследованиях.
Ruiz-Blas et al. проанализировали микробное разнообразие пиренейских ледяных пещер в Европе и показали скрытую сокровищницу потенциальных микроорганизмов в таких неисследованных регионах. Они использовали методы метабаркодирования для выявления корреляции между физико-химическими свойствами ледяных пещер и составом микробного разнообразия. Кроме того, в исследовании авторы использовали протеомный подход для оценки влияния изменения климата на местные микробные клетки. Исследование показало, что распределение микроорганизмов в таких экстремальных регионах сильно зависит от возраста и органической составляющей льда. Авторы также определили специфические ниши для нескольких родов. Более того, они обнаружили, что повышение температуры на 4°C значительно снижает содержание микробного белка. Это указывает на то, что влияние изменения климата на микробные биологически активные соединения может стать активной областью исследования в ближайшем будущем.
В другой статье Dasila et al. оценили стимулирующий рост растений потенциал холодоустойчивых Pseudomonas. Они применили четыре различных фосфат-солюбилизирующих штамма Pseudomonas к культуре пшеницы в естественных полевых условиях. При этом наблюдалось значительное увеличение биохимических и агрономических параметров пшеницы со средним увеличением урожая зерна на 22%. Более того, эти штаммы также улучшили состояние почвы.
В связи с растущим спросом на продовольствие необходимо увеличить производство продуктов питания в достаточной степени, но не ценой окружающей среды. Агрохимикаты действуют быстрее и специфичнее, но негативно влияют и на живой мир. В то же время маргинальные и невозделанные регионы также должны быть объектом внимания для максимального увеличения производства продовольствия. Поэтому такие адаптированные к холоду штаммы микроорганизмов необходимо использовать для выращивания местных культур в высокогорных агроэкосистемах. Это поможет внедрить органические и экологичные методы ведения сельского хозяйства и, таким образом, внесет вклад в достижение целей сельскохозяйственной устойчивости.
Chauhan et al. представили систематический обзор экологических и биотехнологических аспектов холодоадаптированных Pseudomonas. Будучи метаболически разнообразными, Pseudomonas зарекомендовали себя как потенциальные кандидаты для стимулирования роста растений, биоремедиации, производства промышленно важных ферментов и биоактивных соединений. Все эти аспекты были обобщены в данном обзоре наряду с соответствующими перспективными подходами.
В заключение, данный обзор предоставляет полезную информацию и обновления по различным аспектам "холодной" микробиологии. Мы считаем, что она будет способствовать будущим исследованиям в этой области и поможет в достижении устойчивого роста и развития.
