Симбиоз с бактериями превращает морские травы в природный поглотитель CO2
Морские травы покрывают обширные участки мелководных прибрежных морей, создавая жизненно важную среду обитания. Они также удаляют из атмосферы большие объёмы углекислого газа (CO2) и запасают его в экосистеме. Однако для роста им необходимы питательные вещества, особенно азот. До сих пор учёные полагали, что растения получают азот в основном из окружающей морской воды и донных отложений. Однако во многих регионах, где морские травы наиболее успешны, азота мало. Исследователи из Института морской микробиологии Общества Макса Планка в Бремене показали, что морская трава в Средиземном море живёт в симбиозе с бактериями, которые обитают в её корнях и снабжают её необходимым для роста азотом. Ранее подобные симбиозы были известны только у наземных растений. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Пышная жизнь в условиях нехватки питательных веществ
Среда обитания многих морских трав бедна питательными веществами, такими как азот, большую часть года. Хотя азот в своей элементной форме (N2) в море присутствует в изобилии, морские травы не могут его использовать в таком виде. Ответ кроется в их микроскопических партнёрах: симбиотических бактериях, живущих внутри корней растений и преобразующих газ N2 в доступную для растений форму.
Гармония в корнях
«Раньше считалось, что фиксированный азот для морских трав поступает от бактерий, живущих вокруг их корней в грунте, — объясняет ведущий автор исследования. — Мы же показываем, что связь гораздо теснее: бактерии живут внутри корней морской травы. Это первый случай, когда такой тесный симбиоз был обнаружен у морских трав. Ранее он был известен только у наземных растений, особенно у важных сельскохозяйственных культур, таких как бобовые, пшеница и сахарный тростник».
Бактерии, живущие в корнях морской травы, — новое открытие. Команда назвала их Celerinatantimonas neptuna в честь их хозяина, посидонии (Posidonia). Родственные виды C. neptuna ранее находили в ассоциации с морскими водорослями. «Когда морские травы перешли с суши в море около 100 миллионов лет назад, они, вероятно, переняли бактерии у водорослей, — предполагают учёные. — Они фактически скопировали систему, которая была очень успешна на суше, а затем, чтобы выжить в бедной питательными веществами морской воде, приобрели морского симбионта».
Сезонные изменения
По мере смены сезонов количество питательных веществ в прибрежных водах меняется. Зимой и весной питательных веществ в воде и осадке, по-видимому, достаточно для морских трав. «В это время мы находим разрозненных симбионтов в корнях растений, но они, вероятно, не очень активны», — отмечают исследователи. Летом, когда солнечного света становится больше, водоросли активно растут и потребляют доступные питательные вещества, азот быстро становится дефицитным. Тогда вступают в дело симбионты. Они напрямую снабжают морские травы необходимым азотом. Именно поэтому морские травы достигают пика роста летом, когда питательных веществ в окружающей среде меньше всего.
Методы исследования
Чтобы получить полную картину симбиоза, исследователи использовали комплекс методов:
- Измерения кислорода в водах Средиземного моря показали продуктивность луга морских трав.
- Методы микроскопии с окрашиванием отдельных видов бактерий (FISH) помогли визуализировать бактерии внутри и между клетками корней.
- В масс-спектрометре NanoSIMS была показана активность отдельных бактерий.
- Геномный и транскриптомный анализы выявили, какие гены, вероятно, особенно важны для взаимодействия и что эти пути активно используются.
«Наш следующий шаг — более детально изучить этих новых бактерий, — говорят авторы. — Мы хотим выделить их в лаборатории, чтобы подробнее исследовать, как работает симбиоз и как он развивался. Безусловно, будет интересно поискать аналогичные системы в других регионах и местообитаниях».