Havenes mikroskopiske planter - kiselalger - fanger kuldioxid via biofysiske veje

Kiselalger er bittesmå encellede planter - ikke større end en halv millimeter - som bebor overfladevandet i verdenshavene, hvor der er rigeligt med sollys. På trods af deres beskedne størrelse, de er en af ​​verdens mest magtfulde ressourcer til at fjerne kuldioxid (CO ₂ ) fra atmosfæren. De fjerner i øjeblikket, eller "fix, "10-20 milliarder tons CO ₂ hvert år ved fotosynteseprocessen. Men man ved ikke meget om, hvilke biologiske mekanismer kiselalger bruger, og om disse processer kan blive mindre effektive med stigende havsyreindhold, temperaturer, og, i særdeleshed, CO ₂ koncentrationer. En ny undersøgelse i Grænser i plantevidenskab viser, at kiselalger overvejende bruger én vej til at koncentrere CO ₂ i nærheden af ​​carbonfikserende enzym, og at dette fortsætter med at fungere selv ved højere CO ₂ koncentrationer.

"Vi viser, at marine kiselalger er super smarte til at fikse atmosfærisk CO ₂ selv på det nuværende niveau af CO ₂ —og variationen i overfladehavvands CO ₂ niveauerne påvirkede ikke genekspressionen og overfloden af ​​de fem nøgleenzymer, der blev brugt til kulstoffiksering, " siger gruppelederen for undersøgelsen, Dr. Haimanti Biswas fra National Institute of Oceanography-CSIR (Council of Scientific and Industrial Research), Indien. "Dette besvarer et nøglespørgsmål om, hvordan marine kiselalger kan reagere på den fremtidige stigning i atmosfærisk CO ₂ niveauer."

Planteriget har udviklet en lang række mekanismer til at koncentrere CO ₂ fra luften, eller vand, og omdanne det til organisk kulstof. På denne måde planter omdanner CO ₂ til glukose og andre kulhydrater, som de bruger som byggesten og energilager. Men disse forskellige mekanismer har forskellige styrker og svagheder. Lidt ironisk nok, det eneste carbonfikserende enzym, RuBisCO, er notorisk ineffektiv til at fikse CO ₂ og derfor skal planterne holde på CO ₂ høje niveauer i nærheden af ​​dette enzym.

For bedre at forstå, hvilken mekanisme kiselalger bruger til at koncentrere CO ₂ , Biswas og hendes samarbejdspartnere, Drs. Chris Bowler og Juan Jose Pierella Karluich fra Institut de Biologie de I'Ecole Normale Supérieure, Paris, Frankrig, udvundet et datasæt fra Tara Oceans forskningsekspedition. Den internationale Tara-ekspedition indsamlede havplanktonprøver fra hele verden over flere år (2009 til 2013). Disse omfattede mere end 200 metagenomer (som viser overfloden af ​​generne, der er ansvarlige for de fem nøgleenzymer) og over 220 metatranskriptomer (som viser ekspression af generne for de fem nøgleenzymer) fra kiselalger af forskellige størrelsesklasser.

Biswas og hendes samarbejdspartnere var især interesserede i, hvor ofte generne fra fem centrale kulstoffikserende enzymer er til stede, og om der var nogen forskelle i deres overflod og udtryksniveauer afhængigt af placering og forhold. På tværs af alle de målte prøver, et enzym var omkring ti gange mere udbredt end nogen af ​​de andre enzymer. Dette enzym - kaldet kulsyreanhydrase - er især informativt, fordi det også bekræfter, at kiselalger aktivt pumper opløst CO ind ₂ inde i cellen, i modsætning til biokemisk transformation af CO ₂ først.

Holdet observerede også komplekse forskellige mønstre af nøgleenzymernes genekspression, som varierede afhængigt af breddegrad og temperatur. Forskerne håber på at lære mere ved at bruge nye datasæt fra mere udbredte fremtidige ekspeditioner.

"Indtil nu, vores undersøgelse indikerer, at trods variabilitet i CO ₂ niveauer, disse små autotrofer er meget effektive til at koncentrere CO ₂ inde i cellen, " siger Biswas. "Det er den sandsynlige årsag til deres evne til at fikse næsten en femtedel af den globale kulstofbinding på jorden."