Новый симбиоз ризобий и диатомей раскрывает давнюю морскую загадку
Атмосферный азот (N2) — крупнейший резервуар азота, но растения не могут использовать его напрямую. На суше бобовые культуры решают эту проблему благодаря симбиозу с бактериями-ризобиями, которые "фиксируют" азот в аммоний. Учёные из Института морской микробиологии Макса Планка (Бремен, Германия) впервые обнаружили, что ризобии могут формировать аналогичное партнёрство с морскими диатомовыми водорослями. Открытие, опубликованное в Nature, объясняет происхождение "недостающего" азота в океане и может иметь значение для сельского хозяйства.
Загадочный морской фиксатор азота внутри диатомеи
Долгое время считалось, что основную фиксацию азота в океане осуществляют цианобактерии. Однако в обширных регионах океана их количество не объясняло измеряемых объёмов фиксации. Учёные годами находили фрагменты генов нитрогеназы (фермента, фиксирующего азот), которые принадлежали нецианобактериальному организму, но идентифицировать его не удавалось.
В 2020 году команда собрала сотни литров воды в тропической части Северной Атлантики — ключевом регионе глобальной морской фиксации азота. На сборку генома загадочного организма ушло три года.
"Это была долгая и кропотливая детективная работа", — говорит биоинформатик Бернхард Чичко, первый автор исследования. Геном показал, что организм, хотя и несёт гены, родственные бактериям Vibrio, филогенетически близок к ризобиям, живущим в симбиозе с бобовыми. Его неожиданно маленький геном намекал на возможный симбиотический образ жизни.
Первый известный симбиоз такого рода
Разработав генетический зонд для флуоресцентной маркировки, учёные подтвердили, что морские ризобии являются симбионтами диатомей. В пробах воды они наблюдали группы из четырёх бактериальных клеток, всегда расположенных в одном и том же месте внутри диатомовой водоросли.
"Это очень захватывающе, поскольку это первый известный симбиоз диатомеи с нецианобактериальным фиксатором азота", — отмечает ведущий автор Марсель Кайперс.
Симбионт получил название Candidatus Tectiglobus diatomicola. С помощью технологии nanoSIMS учёные показали, что ризобии обменивают фиксированный азот на углерод от диатомеи. Бактерия работает чрезвычайно активно: "Чтобы поддержать рост диатомеи, она фиксирует в 100 раз больше азота, чем нужно ей самой", — поясняет Вибе Мор, соавтор работы.
Оказалось, что этот симбиоз широко распространён в мировом океане, особенно в регионах, бедных цианобактериальными фиксаторами. Таким образом, эти организмы, вероятно, являются важными игроками в глобальной фиксации азота в океане, поддерживая морскую продуктивность и поглощение CO2.
Ключевой кандидат для сельскохозяйственной инженерии?
Открытие имеет значение и с эволюционной точки зрения. Адаптации Ca. T. diatomicola очень похожи на эндосимбиотическую цианобактерию UCYN-A, которая функционирует как азотфиксирующий органелл на ранней стадии развития.
"Соблазнительно предположить, что Ca. T. diatomicola и её диатомовый хозяин также находятся на ранних стадиях превращения в единый организм", — говорит Марсель Кайперс.
Бернхард Чичко добавляет: "Органеллы такого типа до сих пор были известны только среди цианобактерий. Но возможность найти их среди ризобий (Rhizobiales) очень интригует, учитывая огромную важность этих бактерий для сельского хозяйства. Маленький размер и органеллоподобная природа морских ризобий означает, что они могут стать ключевым кандидатом для создания азотфиксирующих растений в будущем".
Учёные продолжат изучать новый симбиоз и искать подобные партнёрства в океане.