I batteri d'acqua dolce con genomi piccoli spesso subiscono periodi prolungati di stagnazione adattativa. Sulla base delle analisi genomiche di campioni provenienti dal Lago di Zurigo e da altri laghi europei, i ricercatori dell'Università di Zurigo hanno scoperto strategie evolutive specifiche che modellano gli stili di vita di questi batteri. Comprendere le dinamiche evolutive delle comunità microbiche acquatiche è fondamentale per salvaguardare i servizi ecosistemici.
Le risorse di acqua dolce sono limitate e rappresentano solo il 3,5% dell’acqua terrestre, di cui solo lo 0,25% accessibile in superficie. Tuttavia, i laghi d’acqua dolce sono essenziali per il funzionamento dell’ecosistema e il ciclo globale del carbonio a causa della loro elevata produttività biologica e attività microbica. Sono fondamentali per la sopravvivenza umana, poiché forniscono acqua potabile e sostengono l’agricoltura, la pesca e le attività ricreative. Tuttavia, i cambiamenti climatici, in particolare l'aumento delle temperature, minacciano questi habitat distruggendo le comunità microbiche che sono essenziali per il ciclo dei nutrienti e il mantenimento della qualità dell'acqua.
“Considerando i ruoli essenziali che le specie batteriche svolgono negli ambienti di acqua dolce e le loro funzioni ecologiche vitali, comprendere la loro capacità di adattamento alle mutevoli condizioni ambientali è fondamentale per la resilienza dell’ecosistema e la gestione sostenibile delle risorse”, afferma Adrian-Stefan Andrei. È a capo del Laboratorio di Evogenomica Microbica presso il Dipartimento di Biologia Vegetale e Microbica dell'Università di Zurigo (UZH).
Il suo gruppo di ricerca ha analizzato campioni di serie temporali provenienti da cinque laghi d'acqua dolce europei, raccolti tra il 2015 e il 2019:il lago di Zurigo, il lago di Thun e il lago di Costanza in Svizzera, insieme al bacino idrico di Římov e allo stagno Jiřická nella Repubblica ceca. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
"Sebbene l'adattamento di nicchia sia il principale meccanismo evolutivo che guida la diversificazione della popolazione e l'emergere di nuove specie, i nostri risultati mostrano sorprendentemente che molti batteri di acqua dolce con genomi piccoli spesso sperimentano periodi prolungati di arresto dell'adattamento", afferma Andrei.
Questo stallo dei processi di adattamento sfida l'aspettativa convenzionale secondo cui le specie microbiche possono adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali.
"Date le funzioni vitali che queste comunità microbiche svolgono nei sistemi di acqua dolce, il nostro studio sottolinea l'importanza di comprendere i limiti dell'adattabilità batterica", aggiunge il ricercatore.
Proteine secrete come indicatori di adattamento evolutivo
I batteri si adattano al loro ambiente utilizzando proteine specializzate, che possono essere secrete nell'ambiente circostante o legate alle membrane cellulari. Queste proteine svolgono un ruolo cruciale nell’assorbimento dei nutrienti, nella comunicazione interbatterica e nel rilevamento e nella risposta agli stimoli ambientali. L'adattabilità dei batteri si basa tipicamente sulla diversità genetica all'interno dei geni che codificano per queste proteine.
I ricercatori, tuttavia, ora mostrano che in numerosi batteri d’acqua dolce con dimensioni del genoma ridotte, c’è sorprendentemente poca variazione in questi geni, indicando una fase di stagnazione adattativa. Questi batteri possono quindi affrontare difficoltà nell'adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali.
"Le nostre osservazioni suggeriscono che questi batteri hanno probabilmente raggiunto picchi di forma fisica raggiungendo strutture proteiche e livelli di attività ideali", afferma Andrei.
I loro proteomi hanno già raggiunto uno stato ottimale nel corso dell'evoluzione, dove ulteriori grandi cambiamenti non sono né vantaggiosi né necessari affinché gli organismi sopravvivano e si adattino alle loro nicchie attuali. Questa inflessibilità intrinseca limita la capacità di questi organismi di esplorare nuove variazioni genetiche e di adattarsi efficacemente alle condizioni ambientali dinamiche.
"Questa conoscenza è fondamentale mentre affrontiamo gli impatti crescenti del cambiamento climatico, che minaccia in modo significativo gli habitat di acqua dolce, ambienti particolarmente suscettibili ai cambiamenti antropogenici", conclude Andrei.
Ulteriori informazioni: Lucas Serra Moncadas et al, I batteri con genoma ridotto dell'acqua dolce mostrano episodi pervasivi di stasi adattativa, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47767-7
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Zurigo
