Bacterial diversity and metabolism in microbial consortium of non-axenic culture  Tychonema  sp. BBK16

A. Yu. Krasnopeev; Краснопеев А. Ю.; I. V. Tikhonova; Тихонова И. В.; G. V. Podlesnaya; Подлесная Г. В.; S. A. Potapov; Потапов С. А.; A. S. Gladkikh; Гладких А. С.; M. Yu. Suslova; Суслова М. Ю.; I. A. Lipko; Липко И. А.; E. G. Sorokovikova; Сороковикова Е. Г.; O. I. Belykh; Белых О. И.

doi:10.31951/2658-3518-2023-A-6-229

Разнообразие бактерий и путей их метаболизма в неаксеничной культуре Tychonema sp. BBK16

Авторы: Краснопеев А.Ю.¹, Тихонова И.В.¹, Подлесная Г.В.¹, Потапов С.А.¹, Гладких А.С.¹, Суслова М.Ю.¹, Липко И.А.¹, Сороковикова Е.Г.¹, Белых О.И.¹
Учреждения:
1. Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук
Выпуск: № 6 (2023)
Страницы: 229-243
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/2658-3518/article/view/282904
DOI: https://doi.org/10.31951/2658-3518-2023-A-6-229
ID: 282904

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведено высокопроизводительное секвенирование микробного консорциума, образованного культивируемой цианобактерией Tychonema sp. BBK16 и гетеротрофными бактериями. Представители филы Pseudomonadota/Proteobacteria – бактерии родов Hydrogenophaga, Sphingomonas, Paucibacter, Aminobacter, Devosia, Tahibacter, Bosea – доминируют и сосуществуют с цианобактерией на протяжении длительного периода культивирования. Цианобактерия является эдификатором этого сообщества, обеспечивая весь микробиом органическим веществом. Приведены метаболические особенности бактерий, исходя из восстановленных геномов. Главными процессами метаболизма углерода и азота в биопленке являются метаболизм углеводов и аминокислот, а также процессы регуляции взаимоотношений между участниками консорциума. Углеродной автотрофией обладают Tychonema sp. BBK16 и Hydrogenophaga sp. за счет цикла Кальвина – Бенсона – Бассама (КББ) и Sphingomonas sp. за счет глиоксилатного пути метаболизма. Также в биопленке присутствует аноксигенный фотогетеротроф Bosea sp., который использует энергию света для преобразования органических веществ. Метилотрофией обладает активный деструктор сложной органики Aminobacter sp., который поставляет водород для окисления бактериями Hydrogenophaga sp. Также водород выделяется бактерией Paucibacter sp. Микроорганизмы Tychonema, Sphingomonas, Paucibacter осуществляют высвобождение фосфатов из органических соединений, обеспечивая фосфором весь консорциум.

Ключевые слова

цианобактерия, бактерии, биопленки, функциональные гены, метаболизм

Полный текст

1. Введение

Взаимодействия, происходящие между водорослями и бактериями представляют собой особый круговорот органического вещества (Azam et al., 1983). Цианобактерии, как первичные продуценты, создают специфическую среду местообитания, образуя органические вещества и синтезируя биологически активные метаболиты (Woodhouse et al., 2018). Ассоциированные с цианобактериями гетеротрофные бактерии чаще являются культивируемыми видами с пластичным универсальным метаболизмом, большая часть штаммов принадлежит Proteobacteria (Berg et al., 2009). Высокопроизводительное секвенирование дает возможность провести детальную инвентаризацию ассоциаций цианобактерий с гетеротрофами без получения штаммов бактерий (Shaw et al., 2020). Например, выявлено, что сообщества макроколоний цианобактерии Nostoc из озерной прибрежной зоны в целом похожи на планктонные, но в них выше представленность бактерий семейств Shingomonadaceae, Rhodobacteriaceae, Comamonadaceae (Aguilar et al., 2019). Эти бактерии частые спутники цветений цианобактерий в естественных условиях, а также в неаксеничных культурах (Chun et al., 2017; Park et al., 2021; Thorat et al., 2022). Метагеномные исследования состава микробиома неаксеничных культур полярных цианобактерий показали преобладание Proteobacteria и Bacteroidetes в составе сообщества, предполагая совместную эволюцию цианобактерий и их спутников (Cornet et al., 2018). Неаксеничные культуры водорослей являются модельными объектами для изучения взаимодействий водоросли и гетеротрофных бактерий, поскольку демонстрируют взаимоотношения in situ. Присутствие различных бактерий в культурах цианобактерий позволяет исследовать их геномы благодаря биоинформатическим инструментам разделения фрагментов нуклеотидных последовательностей и генов (Tan et al., 2016).

Ранее при анализе генома нитчатой цианобактерии Tychonema sp. BBK16, выделенной из бентосных биопленок оз. Байкал, показаны ее экологические и геномные особенности (Tikhonova et al., 2022; Evseev et al., 2023). При анализе ДНК неаксеничной культуры Tychonema sp. выявлены многочисленные последовательности гетеротрофных бактерий. Целью работы является изучение бактерий-спутников Tychonema sp. BBK16 и метаболическая характеристика этого микробного консорциума на основе данных ДНК-штрихкодирования и метагеномики.

2. Материалы и методы

Секвенирование ДНК культуры

Получение неаксеничной культуры цианобактерии и выделение ДНК описано ранее (Tikhonova et al., 2022). Штамм Tychonema sp. BBK16 культивируется на автотрофной среде Z-8, содержащей нитраты, сульфаты, карбонаты и фосфаты в качестве биогенов, в течение семи лет. Секвенирование участка V3-V4 16S рРНК гена проведено по инструкции производителя с праймерами 343F (CTCCTACGGRRSGCAG) и 806R (GGACTACNVGGGTWTCTAAT) в компании Евроген (Москва) на платформе Illumina Miseq. Шотган секвенирование проведено разными методами – с использованием секвенатора DNBSEQ-400 (MGI, Китай) по протоколу без ПЦР с ферментативной фрагментацией (MGI, Китай) и с использованием платформы Illumina MiSeq (Illumina, USA) методом парно-концевых прочтений (paired-end reads). Длина полученных фрагментов в случае MGI составила 150 п.н., в случае Illumina – 300 п.н. Оценку качества библиотек V3-V4 ампликонов и результатов метагеномного секвенирования проводили с помощью программы MultiQC v. 1.12 (Ewels et al., 2016), адаптеры удалены с помощью программы Trim Galore v. 0.6.5 (https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/trim_galore/, дата последнего доступа: 12 декабря 2023 г.). Филогенетическое дерево реконструировано с использованием BEAST v. l.8.4 (Drummond and Rambaut, 2007). Сырые данные депонированы в Genbank под номерами доступа PRJNA1042932 (два пула метагеномного секвенирования) и SRR11929492 (данные секвенирования ампликонов участка V3-V4 16S rRNA гена).

Анализ фрагментов 16S рРНК гена

Пакет DADA2 v. 1.16 для языка программирования R использован для дальнейшей обработки, включающей в себя фильтрацию нецелевых и химерных последовательностей, а также кластеризацию последовательностей в ASVs (Exact Sequence Variants) (Callahan et al., 2016; R Core Team, 2021). Ближайшие гомологи выбраны путем BLASTn-поиска по базам референсных последовательностей NCBI nr/nt. ASVs и ближайшие гомологи выровнены с помощью алгоритма ClustalO (Sievers et al., 2011).

Обработка результатов шотган секвенирования

Сборку ридов в контиги проводили с использованием SPAdes v. 3.15.4 (Prjibelski et al., 2020). Картирование ридов на полученные контиги выполнено в BWA v. 0.7.17 и пакетом Samtools v. 1.18 (Heng and Durbin, 2009; Danecek et al., 2021). Метагеномный биннинг и выделение геномов проведены с помощью MetaBAT2 v. 2.15 (Kang et al., 2019). Вычитанность и контаминация полученных геномов оценены с использованием CheckM2 v. 1.0.2 на основе алгоритма машинного обучения (Chklovski et al., 2022).

Открытые рамки считывания (ORFs) в контигах обнаружены с помощью Prodigal v. 2.6.3 (Hyatt et al., 2010). Аннотация по KEGG и присвоение KO номеров белкам выполнены с помощью сервиса BlastKOALA (Kanehisa et al., 2016) и в полуавтоматическом режиме с помощью DIAMOND 2.1.8 (Buchfink et al., 2021) против базы белковых последовательностей NCBI nr. Гены рибосомных РНК выделены с использованием Barrnap 0.9 (Seemann, 2013). Таксономическая аннотация контигов и геномов выполнена с помощью сервиса Kaiju (Menzel et al., 2016) и уточнена вручную с помощью авторских скриптов на основе метаболической аннотации.

Функциональные особенности микроорганизмов установлены на основании присутствия в геноме маркерных генов метаболических процессов в соответствии с методикой, описанной Гарнером и др. (2023). Углеродная автотрофия устанавливалась по присутствию генов цикла КББ – rbcL, prkB; путь ассимиляции глиоксилата – mct; транспорт аммония в клетку – amt, и его ассимиляция – glnA; транспорт нитритов/нитратов – nrtABC, ассимиляция нитратов/нитритов – narB, nirA, nasABED; денитрификация – narGHI, nirK, norB, nosZ; транспорт мочевины – urtABCDE и её разложение до аммония – ureABC; карбоксилирование мочевины – карбоксилаза мочевины E6.3.4.6; получение аммония из глутамата – asnB; транспорт фосфонатов – phnCDE; разложение фосфонатов – phnAB; разложение и модификация фосфонатов – phnIJKLMPWXY; усвоение фосфата из органических соединений – phoD; транспорт неорганического фосфата – pstBS; гидролитические ферменты для полисахаридов – argH, glgX, susACD; транспортная система сульфатов и тиосульфатов – cysAPUW; окисление сульфатов и тиосульфатов в периплазме – soxABCDXZ; деградация ароматических соединений – vanA, dmpB, xylE; усвоение монооксида углерода с выделением водорода – coxMLS, cutML; пермеазы для облегченного транспорта олигопептидов и олигосахаров – oppABCDF, mppA,; утилизация метиламинов (метилотрофия) - gmaS, mgsABC, mgdABCD; использование монооксида углерода – coxMLS, cutML; синтез бактериохлорофиллов – bchMO; светособирающие полипептиды фотосистемы II – pufML.

3. Результаты и обсуждение

Филогенетическое разнообразие бактерий и их геномов в неаксеничной культуре Tychonema sp. BBK16

В результате секвенирования библиотеки ампликонов V3-V4 16S рРНК гена было получено 62 028 парно-концевых ридов. Из этого набора выделено 21 ASV, при аннотации которых обнаружены представители трех филумов: Cyanobacteria (66,1%), Pseudomonadota/Proteobacteria (33,7%) и Actinobacteriota (0,2%). Наиболее представленные рода – Hydrogenophaga, Sphingomonas, Paucibacter, Pseudomonas, Aminobacter, Devosia, Tahibacter, Bosea, Methylophilus, Rhodopseudomonas, Ensifer, Tabrizicola, Acidovorax, Caulobacter, минорные – Rhodococcus и Iamia (Таблица 1).

Таблица 1. Представленность последовательностей (ASVs) фрагментов 16S рРНК гена бактерий в биопленке Tychonema sp. BBK16

Номер	Филум	Класс	Род	Количество ридов	Доля, %
ASV001	Cyanobacteriota	Cyanobacteria	Tychonema	41016	66,125
ASV003	Pseudomonadota/Proteobacteria	Betaproteobacteria	Hydrogenophaga	10959	17,668
ASV005	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Sphingomonas	5116	8,248
ASV012	Pseudomonadota/Proteobacteria	Betaproteobacteria	Paucibacter	1041	1,678
ASV009	Pseudomonadota/Proteobacteria	Gammaproteobacteria	Pseudomonas	840	1,354
ASV016	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Aminobacter	789	1,272
ASV017	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Devosia	669	1,079
ASV004	Pseudomonadota/Proteobacteria	Gammaproteobacteria	Tahibacter	635	1,024
ASV020	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Devosia	433	0,698
ASV037	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Devosia	147	0,237
ASV041	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Bosea	81	0,131
ASV047	Actinobacteriota	Actinobacteria	Rhodococcus	71	0.114
ASV049	Pseudomonadota/Proteobacteria	Gammaproteobacteria	Methylophilus	60	0,097
ASV050	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Rhodopseudomonas	58	0.094
ASV051	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Ensifer	52	0,084
ASV056	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Tabrizicola	36	0,058
ASV027	Actinobacteriota	Actinobacteria	Rhodococcus	14	0,023
ASV093	Pseudomonadota/Proteobacteria	Gammaproteobacteria	Acidovorax	3	0,005
ASV092	Pseudomonadota/Proteobacteria	Alphaproteobacteria	Caulobacter	3	0,005
ASV091	Actinobacteriota	Acidimicrobiia	Iamia	3	0,005
ASV095	Proteobacteria	Gammaproteobacteria	Acidovorax	2	0,003

В результате секвенирования тотальной ДНК методом дрoбовика было получено 18 4421 914 парно-концевых ридов, при таксономической аннотации которых обнаружены представители трех филумов: Cyanobacteria (50,2%), Proteobacteria (49,6%) и Actinobacteriota (0,2%). В ходе метагеномного биннинга полученных после сборки контигов было выделено 12 бактериальных геномов разного качества (Таблица 2). Наиболее полными по показателям вычитанности и контаминации, согласно CheckM2 статистике (дано в скобках), были геномы: Tychonema sp. BBK16 (bin.4 — 99.15 / 2.42), Tahibacter sp. (bin.3 — 99.3 / 0.09), Aminobacter sp. (bin.8 — 97.44 / 1.83), Paucibacter sp. (bin.9 — 100 / 0.26), Sphingomonas sp. (bin.11 — 99.76 / 8.07). Также следует отметить высокий процент сборки геномов Devosia, Bosea и Hydrogenophaga.

Таблица 2. Характеристика геномов, восстановленных из метагеномных данных секвенирования неаксеничной культуры Tychonema sp. BBK16. Жирным показаны геномы имеющие более 90% вычитанности и менее 5% контаминации.

Тег генома	Вычитанность, %	Контаминация, %	Статистика N50	Размер генома, пн	Доля GC-пар	Число рамок считывания	Род
bin.1	20,8	0,35	3434	1190380	0,63	1405	Rhodococcus
bin.2	7,19	0,01	149685	412532	0,6	443	Aminobacter
bin.3	99,3	0,09	214065	6110546	0,66	4716	Tahibacter
bin.4	99,15	2,42	108947	5876576	0,44	5150	Tychonema
bin.5	65,82	0,01	39311	2077122	0,69	1999	Hydrogenophaga
bin.6	84,19	2,56	14881	4250091	0,64	4320	Devosia
bin.8	97,44	1,83	134644	5591995	0,63	5427	Aminobacter
bin.9	100	0,26	214794	4356207	0,67	3973	Paucibacter
bin.10	84,96	3,7	10883	5032618	0,66	5129	Bosea
bin.11	99,76	8,07	90952	3846091	0,69	3710	Sphingomonas
bin.12	15,11	0,04	3530	797961	0,67	888	Stenotrophomonas

Для оценки сходимости результатов таргетного и метагеномного секвенирования было построено филогенетическое дерево, основанное на выравнивании последовательностей 16S рРНК гена (Рис. 1). В древо также включены ближайшие гомологи согласно BLASTn-поиску. Как показано на рисунке 1, в большинстве случаев удаётся найти пару последовательностей из ASVs и метагенома, принадлежащих одному роду/виду, что говорит о достаточной глубине секвенирования для обоих методов. Даже в случае, если в метагеноме не обнаруживалось маркерного гена 16S рРНК, другие кодирующие последовательности и фрагменты геномов были аннотированы как представленные на дереве таксоны.

Рис.1. Ультраметрическое филогенетическое дерево, основанное на выравнивании ДНК фрагмента 16S рРНК гена. Красным выделены ASV последовательности, синим – фрагменты гена 16S рРНК из метагенома, черным – ближайшие соседи по данным BLASTn-поиска

Метаболические функции бактериальной составляющей биопленки Tychonema sp. BBK16

Суммарно в биопленке-консорциуме выявлено 2387 различных функциональных ортологов (KO) по базе данных KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes). Для описания функций бактерий мы представили 8 бинов (Рис. 2). Анализ основных путей метаболизма углерода выявил акцент основных участников сообщества биопленки на метаболизме углеводов и аминокислот, большую долю представляют категории сигнальных и клеточных процессов, нуклеотидного, энергетического метаболизма, транспорта веществ через мембрану, метаболизма кофакторов и витаминов. Дополнительный анализ – сравнение предсказанных функций микроорганизмов и реально присутствующих функциональных генов приведен в Дополнительных Материалах (S1).

Рис.2. Тепловая карта представленности метаболических путей по базе данных KEGG в метагеноме Tychonema sp. BBK16. Цветом обозначено количество генов, аннотированных в каждом из геномов.

При функциональной аннотации собранных геномов выделены белки основных метаболических путей в сообществе биопленки (Таблица 3). Способность к фиксации неорганического углерода подтверждается присутствием ферментов цикла Кальвина – Бенсона – Бассама у микроорганизмов Tychonema sp. BBK16 и Hydrogenophaga sp., однако для последней этот процесс является факультативным и реализуется при дефиците органических веществ в среде. Способность бактерии Bosea sp. использовать энергию солнечного света подтверждается присутствием генов синтеза бактериохлорофилла, каротиноидов, а также ферментов реакционного центра фотосистемы II.

Таблица 3. Микробные процессы в биопленке Tychonema sp. BBK16

Род	Особенности метаболизма	Подтверждающие гены
Tychonema sp. BBK16	Автотроф. Использует нитраты, нитриты, аммоний и мочевину. Усваивает фосфаты неорганических и органических соединений, синтезирует щелочную фосфатазу. Ассимилирует сульфаты и тиосульфаты.	rbcL, prkB, amt, nrtA, narB, nirA, glnA, ureABC , urtABCE, pstB, pstS phoD, cysU, cysW
Tahibacter sp.	Органотроф, использующий фосфаты, фосфонаты, аммоний, гидролизует гликаны. Денитрификатор	argH, amt, phnA, pstBS, nirK, norB
Hydrogenophaga sp.	Хемоорганотроф/хемолитоавтотроф, окисляет водород в качестве источника энергии и CO2 или простые органические вещества в качестве источника углерода. Предпочтительный источник азота – мочевина, глутамат. Способна к деградации олигосахаридов. Транспортирует нитраты и фосфаты. Участвует в окислении тиосульфата с помощью периплазматического ферментного комплекса SOX.	rbcL, prkB, soxABCDXZ, urtABCE ureABC, urea carboxylase, amt, asnB, cysU, cysW
Devosia sp.	Органотроф, использующий органические и неорганические источники азота и фосфора, детоксифицирует мочевину разложением или включением в органические соединения. Ассимилирует олигопептиды и простые органические вещества, модифицирует ароматические соединения. Обладатель мощной системы хемотаксиса.	glgX, nasC, nasABED, nrtABC, oppABCDF, mppA, phnСIJMP, pstBS, urtAE, ureaABC, urea carboxylase, vanA
Aminobacter sp.	Органотроф, подвижный за счет пилей, гидролизует полисахариды, катехолы, гликоген, мочевину, ассимилирует нитраты, фосфаты, сульфаты, тиосульфаты. Денитрификатор. Окисляет монооксид углерода до углекислого газа. Метилотроф, участвует в деградации метиламинов	amt, argH, glgX, dmpB, xylE, nasABED, nosZ, nrtABC, pstBS, phnACDIJKLMPWY; soxABG, cysU, cysW, urtABCE, ureABC, gmaS, mgsABC, mgdABCD, coxMLS, cutML
Paucibacter sp.	Аэробный гетеротроф, способный гидролизовать сложные полисахариды, бактерия-спутник цианобактерий в природе и культурах, использует нитраты, фосфаты, сульфаты, тиосульфаты. Денитрификатор?	amt, argH, narGHI, nasABED, nrtABC, phoD, pstBS, phnDEX, soxBCDXZ, cysU, cysW, susA, coxMLS, cutML
Bosea sp.	Аноксигенный аэробный фототроф, содержит бактериохлорофилл а и фотосистему II. Ассимилирует нитраты и фосфаты	amt, glgX, argH, bchM, chlM, bchO, bchX,Y,Z, pufM,L, nrtAC, nasDF, urtABC, pstBS, phnCIJKMPXY
Sphingomonas sp.	Универсальный органотроф, способный к углеродной автотрофии, фиксирует углекислый газ с помощью альтернативного углеродного пути – глиоксилатного цикла. Гидролизует полисахариды. Ассимилирует фосфаты и фосфонаты, имеет щелочную фосфатазу для получения фосфора из органических соединений	amt, argH, mct, phoD, pstBS

В биопленке происходят процессы образования и разложения соединений биогенных элементов – фосфора, азота и серы. Так, источником фосфора являются фосфаты, которые в замкнутой экосистеме поступают за счет активности щелочной фосфатазы микроорганизмов Tychonema, Paucibacter, Sphingomonas. У большинства бактерий найдены транспортные системы для фосфонатов. Эти органические соединения фосфора часто присутствуют в природных экосистемах и когда-то были первыми источниками фосфора для древних микроорганизмов (McGrath et al., 2013). Показано, что фосфонатные транспортные системы могут служить переносчиками фосфатов (Stasi et al., 2019).

Традиционно взаимоотношения автотрофа и гетеротрофных бактерий рассматриваются как метаболический симбиоз «углерод в обмен на азот», подразумевая, что бактерии фиксируют атмосферный азот. Такое сообщество микроорганизмов выделено из почв пустынь и представлено нитчатой цианобактерией Microcoleus vaginatus и штаммами Actinobacteria и Proteobacteria, многие из которых являлись фиксаторами атмосферного азота (Nelson et al., 2021). В нашем случае фиксация азота не обнаружена, что подтверждено предиктивным методом (PICRUST2) и отсутствием в геноме маркерных генов процесса (Дополнительные материалы, S2, S3). Гены, отвечающие за денитрификацию (удаление азота), выявлены у родов Tahibacter, Aminobacter и Paucibacter (Proteobacteria). По геномным характеристикам, основными источниками азота для всех участников консорциума могут являться аммоний, нитраты, нитриты и мочевина (как метаболит и как продукт разложения отмершей биомассы). Гены, связанные с транспортом аммония и ферментами его ассимиляции, выявлены у всех членов консорциума. Гены, кодирующие транспорт мочевины и ее разложение до аммония выявлены у цианобактерии и гетеротрофных бактерий, кроме Sphingomonas, Paucibacter и Tahibacter.

Таким образом, все метаболические процессы необходимы для поддержания жизни всего сообщества. Автотроф цианобактерия Tychonema sp. BBK16 образует органическое вещество для бактерий, наряду с факультативными автотрофами Hydrogenophaga и Sphingomonas. Однако одновременно она имеет гены для усвоения органических веществ, являясь миксотрофом (Evseev et al., 2023). Факультативная автотрофия водородных бактерий является индуцируемым процессом, они являются успешными органотрофами при наличии простых органических веществ (Заварзин, 1972). Бактерии Aminobacter, Tahibacter, Devosia и Paucibacter способны потреблять полисахариды, которые в избытке присутствуют в цианобактериальной биопленке. Aminobacter имеет самый разветвленный обмен веществ, являясь активным деструктором полисахаридов, метилотрофом, денитрификатором, и, вместе с Paucibacter, поставщиком водорода для водородных бактерий. Также водород выделяется при аноксигенном фотосинтезе бактерии Bosea. Бактерии рода Devosia способны выживать в средах, богатых органическими соединениями, таких как сточные воды, биопленки, благодаря транспортным белкам – пермеазам, которые позволяют усваивать короткие пептиды различного аминокислотного состава и удовлетворять их потребности в углероде и азоте (Talwar et al., 2020) В период исчерпания фосфатов Tychonema, Sphingomonas, Paucibacter дополнительно выделяют щелочную фосфатазу для гидролиза фосфат-содержащих органических веществ. Цианобактерия зависит от других участников сообщества, поскольку, когда в замкнутой системе нитраты и нитриты не поступают извне, аммоний высвобождается в результате разложения бактериями азотсодержащих полисахаридов и гликозидов, белков и аминокислот.

Ранее высказано утверждение, что ассоциированный с цианобактериями микробиом представляет собой «экологический след» их среды обитания (Cornet et al., 2018). Мы показали, что микробный консорциум цианобактерии Tychonema представлен типичными обитателями богатых органикой субстратов, которые имеют все необходимое для их преобразования и ассимиляции: ферменты денитрификации, метилотрофии, гидролиза ароматических соединений и сложных полисахаридов, а также органических соединений азота, фосфора и серы. Некоторые из описанных видов также встречаются в культурах диатомовых водорослей озера Байкал (Mikhailov et al., 2018). Обнаружены бактерии-ассоцианты Hydrogenophaga, Methylophilus, Pseudomonas, которые также выявлены и в нашей работе. Также показали, что актинобактерии порядка Nocardioides являются спутниками байкальских культивируемых водорослей.

4. Заключение

Нами показано, что Proteobacteria – главные симбионты нитчатой цианобактерии Tychonema sp. BBK16. Доминантными являются рода Hydrogenophaga, Sphingomonas, Paucibacter, Aminobacter, Devosia, Tahibacter. В исследуемом сообществе протекали процессы оксигенного и аноксигенного фотосинтеза (фототрофия и фотогетеротрофия), факультативная фиксация углекислого газа с помощью глиоксилатного пути и КББ, метилотрофия, деструкция полисахаридов и ароматических соединений до олигосахаридов, органических кислот, альдегидов, пептидов и моносахаров, а также органических полимеров азота и фосфора.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Букину Ю.С., Павловой О.Н., Букину С.В., Михайлову И.С., Захаровой Ю.Р. за конструктивные замечания и помощь в обсуждении материалов работы. Метагеномное секвенирование по технологии DNA nanoball sequencing (MGI) проведено при поддержке компании Хеликон (Москва). Исследования проведены за счет государственной бюджетной темы № 0279-2021-0015 «Вирусные и бактериальные сообщества как основа устойчивого функционирования пресноводных экосистем…».