В природе бактерии часто образуют сложные сообщества, называемые биопленками или микробиомами.
В этих дифференцированных сообществах живущие в них клетки удерживаются вместе с помощью внеклеточного матрикса. В биопленке клетки используют различные механизмы для координации деятельности внутри сообщества, как внутри вида, так и между видами. Биопленки оказывают благотворное влияние на другие организмы. Например, агенты биоконтроля образуют биопленки на поверхности корней растений, тем самым препятствуя росту бактериальных и грибковых патогенов. Кроме того, биопленки, связанные с корнями, представляют собой уникальные и генетически манипулируемые модели для изучения развития взаимодействий между хозяином и бактериями, которые включают краткосрочные и долгосрочные адаптации взаимодействующих сторон. В частности, колонизация корней растений бациллами играет важную роль в поддержании оптимальной ризосферной среды, которая поддерживает рост растений и способствует их жизнеспособности.
Мы предполагаем, что зависящее от опыта поведение в сложной почвенно-растительной микросреде формирует взаимодействие между растением-хозяином и его соседями по ризосфере. Это особенно важно для стабильности ниши хозяина и окружающего его сообщества, поскольку оба эти фактора выходят за временные рамки одного поколения многих членов ризосферы, включая бактерии. В настоящее время ни одна эпигенетическая память не была связана с фитнес-ландшафтом бактерий в их естественной среде обитания, в частности в ризосфере. Однако мы предполагаем, что бактерии, связанные с корнями, также передают негенетическую информацию («память») своему потомству.
В лабораторных условиях было получено несколько независимых доказательств мультигенерационных реакций, не обусловленных мутациями. К ним относятся наследование белков, модификации ДНК, локальное усиление сигнальных компонентов циклических нуклеотидов, которые могут асимметрично наследоваться потомками, и даже существование функциональных гистоноподобных белков у бактерий. Например, стабильность белков, кодируемых лактозным опероном у E. coli, уменьшает лаг-фазу бактерий при росте на средах, в которых концентрация глюкозы и лактозы колебалась. Хотя эпигенетическая регуляция у бактерий постепенно получает признание, вопрос о том, способствует ли эпигенетика бактерий полезным взаимодействиям с хозяином и каков при этом состав клеточного эпигенетического механизма, участвующего в таких взаимодействиях, остается неясным.
Быстро делящиеся бактерии коэволюционировали с многочисленными медленно делящимися хозяевами, продолжительность жизни которых намного больше. Генетическая адаптация к новым условиям происходит в результате естественного отбора, когда особи с определенными генотипами выживают с большей частотой, чем особи с альтернативными генотипами. Однако отбор и последующая эволюция обходятся недешево - потеря быстрой адаптации к меняющейся среде из-за того, что изменения в значительной степени необратимы. В отличие от этого, эпигенетические модификации изменяют экспрессию генов, но не лежащую в их основе последовательность ДНК. Такие модификации обеспечивают альтернативный способ передачи (негенетической) информации, который может влиять на то, как организм реагирует на изменения окружающей среды, сохраняя при этом гибкость для повторной адаптации. Зависимые от опыта решения важны для выживания почвенных и растительно-ассоциированных микробных популяций в высококонкурентной ризосфере. В этой нише бактерии производят широкий арсенал антибиотиков и развивают сложные механизмы адаптации к антибиотикам. Получение информации о потенциальных конкурентах и хозяине в окружающей среде может улучшить приспособленность бактерий, живущих в этих конкурентных средах. Однако относительно короткое время генерации бактерий недостаточно для сохранения информации от хозяина на одноклеточном уровне, если только какая-то информация не передается от клеток-предков к их потомкам.
Bacillus subtilis и родственные виды Bacillus, такие как B. amyloliquefaciens, B. velezensis и B. mojavensis, служат в качестве агентов биоконтроля и пробиотиков для растений и млекопитающих. Полезные виды Bacillus защищают своих хозяев от грибковых и бактериальных патогенов, причем эта защита частично опосредована образованием биопленок и выработкой широкого спектра антибиотиков. B. subtilis также вызывает индуцированную системную резистентность у растений-хозяев с помощью своих вторичных метаболитов. Было показано, что растительные метаболиты индуцируют подвижность, хемотаксис, производство матрицы и выработку антибиотиков. Растение также может вызывать долгосрочные адаптации: бактерии, которые неоднократно культивировались с A. thaliana, быстро эволюционировали в морфотипы с улучшенной колонизацией корней. В ходе эволюции, вызванной растениями, клетки B. subtilis диверсифицировались в три различных морфотипа, отличающихся профилем роста и образованием пелликул на среде с добавлением растительных полисахаридов. Селекция, обусловленная растениями, подчеркивает важность мультигенерационного наследования поведения микроорганизмов, вызванного растениями. Тем не менее, отбор конкретных генотипов может происходить за счет гибкости и адаптации микробного транскриптома.
Мы предположили, что растения и их экссудаты могут также вызывать эпигенетическую адаптацию к хозяину у колонизаторов B. subtilis. В соответствии с этой гипотезой мы обнаружили, что потомки бактерий, ранее ассоциированных с растением, колонизировали того же хозяина, а также ортогональных растений-хозяев. Наши результаты показывают, что
(i) потомки бактерий, подвергшихся многократному повторному выращиванию в свежей среде, успешно конкурируют с потомками бактерий, которые не подвергались воздействию растительных выделений до выращивания в богатой среде, и
(ii) что небольшой набор генов (в основном гены, связанные со стрессосомой) индуцируется у предварительно подвергшихся воздействию потомков ассоциированным с хозяином образом и играет роль в мультигенерационном наследовании ризокомпетентности. На основании этих результатов мы предположили, что адаптация B. subtilis к хозяину(ам) включает микробную «память», которая проявляется в наследуемых негенетических изменениях.
В данном исследовании мы изучили, как изменяется приспособленность корнеассоциированных бактерий после взаимодействия с растением-хозяином, и сохраняются ли эти фенотипические изменения на протяжении многих поколений после их отделения от растения или удаления его выделений. Для решения этого фундаментального вопроса экологии ризосферы мы использовали упрощенную систему взаимодействия B. subtilis-A. thaliana. Наши результаты показывают, что у B. subtilis может существовать сильный фитнес-стимул к развитию памяти. Если бы клетки могли запоминать свои предыдущие взаимодействия с растением, чтобы «предсказывать» будущие взаимодействия с растениями-хозяевами, они могли бы повысить свои шансы на долгосрочное выживание в ризосфере.
Таким образом, наша работа демонстрирует бактериальную память, проявляющуюся в мультигенерационной обратимой адаптации к растениям-хозяевам в виде активации стрессосомы, которая дает симбиотическим бактериям преимущество во время конкуренции.
