Begrænset tilpasningsevne gør ferskvandsbakterier sårbare over for klimaændringer

Ferskvandsbakterier med små genomer gennemgår ofte længere perioder med adaptiv stagnation. Baseret på genomiske analyser af prøver fra Zürichsøen og andre europæiske søer har forskere ved Zürich Universitet afsløret specifikke evolutionære strategier, der former disse bakteriers livsstil. At forstå den evolutionære dynamik i akvatiske mikrobielle samfund er nøglen til at beskytte økosystemtjenester.

Ferskvandsressourcer er begrænsede og tegner sig kun for 3,5% af Jordens vand, med kun 0,25% tilgængelig på overfladen. Ikke desto mindre er ferskvandssøer afgørende for økosystemets funktion og globale kulstofkredsløb på grund af deres høje biologiske produktivitet og mikrobielle aktivitet. De er afgørende for menneskets overlevelse, giver drikkevand og understøtter landbrug, fiskeri og rekreation. Men klimaændringer – især stigende temperaturer – truer disse levesteder ved at forstyrre mikrobielle samfund, som er afgørende for næringsstofkredsløb og vedligeholdelse af vandkvaliteten.

"I betragtning af de væsentlige roller, bakteriearter spiller i ferskvandsmiljøer og deres vitale økologiske funktioner, er forståelsen af ​​deres tilpasningsevne til skiftende miljøforhold afgørende for økosystemets modstandskraft og bæredygtig ressourceforvaltning," siger Adrian-Stefan Andrei. Han er leder af Microbial Evogenomics Laboratory ved Institut for Plante- og Mikrobiologisk Biologi ved Universitetet i Zürich (UZH).

Hans forskerhold analyserede tidsserieprøver fra fem europæiske ferskvandssøer, indsamlet mellem 2015 og 2019:Zürich-søen, Thun-søen og Bodensøen i Schweiz sammen med Římov-reservoiret og Jiřická-dammen i Tjekkiet. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

"Selvom nichetilpasning er den vigtigste evolutionære mekanisme, der driver populationsdiversificering og fremkomsten af ​​nye arter, viser vores resultater overraskende, at mange rigelige ferskvandsbakterier med små genomer ofte oplever længere perioder med adaptiv stilstand," siger Andrei.

Denne standsning af adaptive processer udfordrer den konventionelle forventning om, at mikrobielle arter kan tilpasse sig skiftende miljøforhold.

"I betragtning af de vitale funktioner, som disse mikrobielle samfund spiller i ferskvandssystemer, understreger vores undersøgelse vigtigheden af ​​at forstå grænserne for bakteriel tilpasningsevne," tilføjer forskeren.

Udskilte proteiner som indikatorer for evolutionær tilpasning

Bakterier tilpasser sig deres omgivelser ved at bruge specialiserede proteiner, som kan udskilles i det omgivende medium eller bindes til deres cellemembraner. Disse proteiner spiller afgørende roller i næringsstofoptagelse, interbakteriel kommunikation og påvisning af og respons på miljøstimuli. Bakteriers tilpasningsevne afhænger typisk af den genetiske diversitet i generne, der koder for disse proteiner.

Forskerne viser imidlertid nu, at i rigelige ferskvandsbakterier med reducerede genomstørrelser er der overraskende lidt variation i disse gener, hvilket indikerer en fase med adaptiv stagnation. Disse bakterier kan derfor stå over for udfordringer med at tilpasse sig ændrede miljøforhold.

Begrænset evne til at tilpasse sig skiftende miljøer

"Vores observationer tyder på, at disse bakterier sandsynligvis har opnået konditionstoppe ved at nå ideelle proteinstrukturer og aktivitetsniveauer," siger Andrei.

Deres proteomer har allerede opnået en optimal tilstand gennem evolutionens forløb, hvor yderligere store ændringer hverken er fordelagtige eller nødvendige for, at organismerne kan overleve og tilpasse sig deres nuværende nicher. Denne iboende manglende fleksibilitet begrænser disse organismers evne til at udforske ny genetisk variation og effektivt tilpasse sig dynamiske miljøforhold.

"Denne viden er afgørende, når vi navigerer i de eskalerende virkninger af klimaændringer, som i væsentlig grad truer ferskvandshabitater - miljøer, der er særligt modtagelige for menneskeskabte ændringer," konkluderer Andrei.

Flere oplysninger: Lucas Serra Moncadas et al., Ferskvandsgenom-reducerede bakterier udviser gennemgående episoder af adaptiv stasis, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47767-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Zurich