Разбираем мир микробиологии по кусочкам

Геометрия против бактерий и грибков… Кто победит в этой схватке?

Written by

Maria Martynova

Почвенная микробиология – это захватывающий раздел экологической микробиологии и науки в целом. Исследователи, работающие этой области, занимаются изучением микроорганизмов, живущих в почве, и то, как они влияют на рост растений и композицию почвы. Не стоит забывать, что микробы играют жизненно важную роль во многих биогеохимических циклах, и любые нарушения в их экосистеме могут ускорить или замедлить реакции этих циклов. Жизнедеятельность микроорганизмов, производство, и переработка питательных веществ близко связаны с ростом растений, и именно поэтому ученые стремятся изучить сложные взаимоотношения микробов и растений в почве. Данные исследования могут быть важны для разработки новых методов ведения сельского хозяйства, которые предоставят более устойчивые и более экологически чистые подходы к фермерству.

Как бы просто это ни звучало, но одним из факторов, который значительно усложняет жизнь микробов, является неравномерное распределение питательных веществ в почве. Микроорганизмы добывают эти вещества, используя чувство кворума и/или используя движение (при условии, что у данных микроорганизмов есть органеллы, позволяющие им передвигаться), пока они физически не наткнутся на сгусток питательных веществ. Некоторые исследователи предполагают, что естественные блоки, такие как повороты, острые углы или объекты разной природы, могут помешать микроорганизму получить доступ к простым, но крайне питательным молекулам.

Чтобы понять как микроорганизмы преодолевают эти препятствия, Арельяно-Кайседо и его коллеги провели эксперимент, в ходе которого была построена искусственная микроструктура, заселенная бактериями Pseudomonas putida и грибками Coprinopsis cinerea. Собранная микроструктура имела сложную форму с множеством длинных каналов, различающихся по длине, ширине и углам поворота. Помимо наблюдения за прогрессией роста этих микроорганизмов, исследователей также интересовало взаимодействием, которое неизменно произошло бы между двумя видами в такой небольшой замкнутой структуре. Таким образом, эксперимент состоял из трех частей: 1) изучение только роста бактерии; 2) изучение только роста грибка; 3) изучение совместного роста бактерий и грибков. Стоит также отметить, что каналы в микроструктуре имели разные углы поворота (45°, 90° и 109°). Это не только создавало дополнительные помехи для микроорганизмов, но и несколько имитировало естественную среду обитания.

Типы каналов, встроенные в микроструктуру для наблюдения за ростом микроорганизмов (на изображении: роста грибка C.cinerea). Источник изображения: оригинальная статья.

Прозрачный материал, из которых были сделаны каналы микроструктуры, позволили исследователям легко визуализировать происходящие взаимодействия. При остром угле 45° появились первые различия в росте. Бактерия P.putida более успешно преодолевала крутые повороты, чем грибок. Это может быть объяснено тем, что данный угол находится в пределах естественного диапазона движения бактерии. В среде, где возможно совершать свободное плавание, виды бактерий с врожденными механизмами для движения совершают перемещение именно под этим углом. Однако, для грибка C.cinerea этот угол вызвал некоторые проблемы. Как вы, возможно, знаете, грибковые гифы предпочитают широкие пространства для роста, и поэтому угол в 45° резко ограничивал их рост.

Грибки никогда не упускают возможности распространить свои гифы во всех направлениях! Источник изображения: https://biologydictionary.net/hyphae/

При менее острых углах (90° и 109°), рост как бактерий, так и грибков совершил неожиданный поворот! В то время как подвижность и рост бактерии значительно замедлились, грибок смог наконец завладеть всем пространством и начать расширяться. Однако, исследователи заметили интересное явление. В случае, когда гифы грибков врезались в стенки канала, они разветвлялись, что приводило к росту в обе стороны. В конце концов, одна из сторон достигала продолжения пути, в то время как другая росла к его началу. Такое разветвление приводило к локальному скоплению биомассы в начале каналов с углами 90° и 109°.

Под углом 90° и 109° растущие гифы грибков врезались в стенки канала, заставляя гифы расти в обоих направлениях. Это привело к увеличению биомассы грибков только в одном месте (красные круги показывают прогрессию увеличения плотности биомассы). Источник изображения: оригинальная статья.

Как упоминалось ранее, исследователи также наблюдали за взаимодействиями между грибком и бактерией. В природе, когда два организма растут вместе, конкуренция за питательные вещества и пространство неизбежна, и данный эксперимент не стал исключением. Результаты показали, что продвижение грибковых гифов физически изменило среду внутри каналов, заставив бактерии расти медленнее. Колонии бактерий не могли протолкнуться сквозь грибок, что приостановило их рост и привело к истощению питательных веществ в местах скопления бактерий. У грибков, в свою очередь, не было проблем с продвижением сквозь бактериальные колонии. Этот результат говорит о том, что жизнедеятельность бактерий не изменяет среду обитания настолько, чтобы помешать росту грибков.

Данный эксперимент является первым шагом в понимании взаимоотношений между почвой и почвенными микроорганизмами. Конечно же, это исследование представляет собой крайне упрощенную версию того, что происходит в реальной жизни. Множество других физические параметров, помимо углов поворота, определяют состав грунта. В природе почва часто насыщена водой или содержит пузырьки газа, которые могут препятствовать движению и росту бактерий и других микроорганизмов. Кроме того, питательные вещества, с которыми микробы сталкиваются в природе, разбросаны на большие расстояния.

Тем не менее, лучшее понимание микробной экологии почвы может привести к новым разработкам в сфере сельского хозяйства. Например, представьте себе технологию более эффективного способа доставки питательных веществ в корневую систему растений. Применяя знания о почвенной микробиологии и микробных взаимодействиях, исследователи могут разработать более точную технику доставки этих питательных веществ, что, в конечном итоге, принесет пользу микробам и растениям. Вместо того, чтобы тратить деньги на дополнительные удобрения и питательные вещества, почему бы не разработать более быстрый и эффективный способ, основанный на микробиологии почвы?

Link to the original post: Arellano-Caicedo, C., Ohlsson, P., Bengtsson, M. et al. Habitat geometry in artificial microstructure affects bacterial and fungal growth, interactions, and substrate degradation. Commun Biol 4, 1226 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02736-4
Under creative commons license https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Featured image: https://modernfarmer.com/2014/04/microbes-will-feed-world-real-farmers-grow-soil-crops/

Перевод был сделан: Марией Мартыновой