Ny rhizobia-kiselalger symbiose løser et langvarigt havmysterium

Nitrogen er en væsentlig bestanddel af alle levende organismer. Det er også nøgleelementet, der kontrollerer væksten af ​​afgrøder på landjorden, såvel som de mikroskopiske oceaniske planter, der producerer halvdelen af ​​ilten på vores planet. Atmosfærisk nitrogengas er langt den største pulje af nitrogen, men planter kan ikke omdanne den til en brugbar form.

I stedet har afgrødeplanter som sojabønner, ærter og lucerne (samlet kendt som bælgfrugter) erhvervet rhizobielle bakterielle partnere, der "fikserer" atmosfærisk nitrogen til ammonium. Dette partnerskab gør bælgfrugter til en af ​​de vigtigste kilder til proteiner i fødevareproduktionen.

Forskere fra Max Planck Institute for Marine Microbiology i Bremen, Tyskland, rapporterer nu i Nature , at rhizobia også kan danne lignende partnerskaber med bittesmå marine planter kaldet kiselalger – en opdagelse, der løser et langvarigt havmysterium, og som har potentielt vidtrækkende landbrugsanvendelser.

En gådefuld marin nitrogenfikser, der gemmer sig i en kiselalger

I mange år blev det antaget, at det meste nitrogenfiksering i havene blev udført af fotosyntetiske organismer kaldet cyanobakterier. Men i store områder af havet er der ikke nok cyanobakterier til at tage højde for målt nitrogenfiksering. Således udløste en kontrovers, hvor mange videnskabsmænd antog, at ikke-cyanobakterielle mikroorganismer må være ansvarlige for den "manglende" nitrogenfiksering.

"I årevis har vi fundet genfragmenter, der koder for det nitrogenfikserende nitrogenase-enzym, som så ud til at tilhøre en bestemt ikke-cyanobakteriel nitrogenfikser," siger Marcel Kuypers, hovedforfatter på undersøgelsen. "Men vi kunne ikke finde ud af, hvem den gådefulde organisme var, og havde derfor ingen anelse om, om den var vigtig for nitrogenfiksering."

I 2020 rejste forskerne fra Bremen til det tropiske Nordatlanten for at deltage i en ekspedition, der involverede to tyske forskningsfartøjer. De indsamlede hundredvis af liter havvand fra regionen, hvor en stor del af den globale marin kvælstoffiksering finder sted, i håb om både at identificere og kvantificere vigtigheden af ​​det mystiske nitrogenfikseringsmiddel. Det tog dem de næste tre år til endelig at pusle sammen dets genom.

"Det var et langt og omhyggeligt stykke detektivarbejde," siger Bernhard Tschitschko, førsteforfatter af undersøgelsen og ekspert i bioinformatik, "men i sidste ende løste genomet mange mysterier."

Den første var organismens identitet, "Selvom vi vidste, at nitrogenasegenet stammede fra en Vibrio-relateret bakterie, var organismen uventet nært beslægtet med rhizobia, der lever i symbiose med bælgplanter," forklarer Tschitschko. Sammen med dets overraskende lille genom rejste dette muligheden for, at den marine rhizobia kunne være en symbiont.

Den første kendte symbiose af denne art

Ansporet af disse opdagelser udviklede forfatterne en genetisk sonde, der kunne bruges til at fluorescerende mærke rhizobia. Da de først anvendte det på de originale havvandsprøver indsamlet fra Nordatlanten, blev deres mistanker om, at det var en symbiont, hurtigt bekræftet.

"Vi fandt sæt af fire rhizobier, som altid sad på det samme sted inde i kiselalgene," siger Kuypers, "Det var meget spændende, da dette er den første kendte symbiose mellem en kiselalger og en ikke-cyanobakteriel nitrogenfikser."

Forskerne navngav den nyopdagede symbiont Candidatus Tectiglobus diatomicola. Efter endelig at have fundet ud af identiteten af ​​den manglende nitrogenfikser, fokuserede de deres opmærksomhed på at finde ud af, hvordan bakterierne og kiselalgen lever i partnerskab. Ved hjælp af en teknologi kaldet nanoSIMS kunne de vise, at rhizobien udveksler fast nitrogen med kiselalgen til gengæld for kulstof. Og det lægger mange kræfter i det:"For at understøtte kiselalgens vækst fikserer bakterien 100 gange mere nitrogen, end den har brug for til sig selv," forklarer Wiebke Mohr, en af ​​forskerne på papiret.

Derefter vendte holdet tilbage til havene for at opdage, hvor udbredt den nye symbiose kan være i miljøet. Det viste sig hurtigt, at det nyopdagede partnerskab findes i hele verdenshavene, især i områder, hvor cyanobakterielle nitrogenfiksere er sjældne. Disse små organismer er således sandsynligvis store spillere i total oceanisk nitrogenfiksering og spiller derfor en afgørende rolle i opretholdelsen af ​​havproduktiviteten og den globale oceaniske optagelse af kuldioxid.

En nøglekandidat til landbrugsteknik?

Bortset fra dens betydning for nitrogenfiksering i havene, antyder opdagelsen af ​​symbiosen andre spændende muligheder i fremtiden. Kuypers er især begejstret for, hvad opdagelsen betyder fra et evolutionært perspektiv.

"De evolutionære tilpasninger af Ca. T. diatomicola minder meget om den endosymbiotiske cyanobakterie UCYN-A, der fungerer som en tidligt stadie nitrogenfikserende organel. Derfor er det virkelig fristende at spekulere i, at Ca. T. diatomicola og dens kiselalgervært kan også være i de tidlige stadier af at blive en enkelt organisme."

Tschitschko er enig i, at identiteten og den organellignende karakter af symbionten er særligt spændende, "Hidtil har sådanne organeller kun vist sig at stamme fra cyanobakterierne, men implikationerne af at finde dem blandt rhizobialer er meget spændende i betragtning af, at disse bakterier er utroligt vigtige for landbruget. Den lille størrelse og organel-lignende natur af de marine rhizobialer betyder, at det kan være en nøglekandidat til at konstruere nitrogenfikserende planter en dag."

Forskerne vil nu fortsætte med at studere den nyopdagede symbiose og se, om der også findes flere lignende i havene.

Flere oplysninger: Bernhard Tschitschko et al., Rhizobia-kiselalger symbiose fikser manglende nitrogen i havet, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07495-w

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Max Planck Society