Необычный симбиоз одноклеточных водорослей и азотфиксирующих бактерий
Учёные обнаружили необычный симбиоз между крошечными одноклеточными водорослями и высокоспециализированными бактериями. Это партнёрство играет важную роль в морских экосистемах, удобряя океаны, забирая азот из атмосферы и «фиксируя» его в форму, доступную для других организмов.
Детали симбиоза, опубликованные в выпуске Science от 21 сентября, стали результатом исследования загадочного азотфиксирующего микроба с радикально сокращённым геномом. Впервые обнаруженный в 1998 году профессором Джонатаном Зером, он, по-видимому, является самым распространённым азотфиксирующим организмом в океанах. Микроб относится к группе фотосинтезирующих бактерий — цианобактерий, но ему не хватает генов для фотосинтеза и других ключевых метаболических путей. Очевидно, его связь с фотосинтезирующей клеткой-хозяином делает эти гены ненужными.
«Цианобактерия фиксирует азот, обеспечивая им клетку-хозяина, а клетка-хозяин обеспечивает цианобактерию углеродом, поскольку у неё нет метаболического аппарата для его получения», — пояснила Энн Томпсон, ведущий автор статьи.
Хотя партнёров симбиоза не удалось вырастить в лаборатории, команда Зера смогла охарактеризовать их с помощью сортировки клеток, секвенирования генов и других методов. Клетка-хозяин — это тип одноклеточных водорослей из класса празинофитовых, встречающихся по всему миру. В образцах морской воды, отсортированных по размеру и цвету, клетки-хозяева были обнаружены среди «фотосинтезирующих пикоеукариот» — крошечных водорослей размером 1–3 микрона.
«Помимо важности фиксации азота, этот симбиоз интересен с эволюционной точки зрения, поскольку его можно рассматривать как аналог ранней стадии эндосимбиоза, приведшего к появлению хлоропластов», — отметил Зер.
В новом симбиозе цианобактерии в основном видны в углублении на одном конце клетки-хозяина. «Пока неясно, как именно они связаны. Похоже, у клетки-хозяина есть небольшой желобок, куда помещается цианобактерия», — сказала Томпсон.
Обмен углеродом и азотом между партнёрами был продемонстрирован с помощью мощных аналитических методов, разработанных в Институте морской микробиологии Макса Планка. Образцы инкубировали со стабильными изотопами углерода и азота, затем клетки сортировали. Для идентификации цианобактерий UCYN-A использовали специфический генетический зонд, а метод нанометровой масс-спектрометрии вторичных ионов (nanoSIMS) позволил визуализировать и изотопы в отдельных клетках. «Мы увидели, что цианобактерии фиксируют меченый азот и передают его клеткам-хозяевам», — сказала Томпсон.
Генетический анализ указывает, что ближайший родственник клетки-хозяина — вид Braarudosphaera bigelowii. У многих празинофитовых, включая этот вид, клетки образуют внешние кальцинированные пластинки. «Это важно, поскольку клетки с пластинками оседают быстрее, и углерод, который они фиксируют, может транспортироваться на глубину или на дно», — сказал Зер.
По его словам, сложно оценить вклад этого симбиоза в глобальные циклы углерода и азота. Другие водоросли более многочисленны и важнее для фиксации углерода. Однако цианобактериальный партнёр, вероятно, вносит значительный вклад в глобальную фиксацию азота в океанах.
«Симбиозы в планктоне мало изучены, так как ассоциации часто хрупкие, — сказала Рейчел Фостер. — Здесь мы использовали несколько инструментов, сохранили целостность связи и идентифицировали один из первых примеров, по-видимому, взаимовыгодного партнёрства в планктоне».
Зер дал цианобактерии название Candidatus Atelocyanobacterium thalassa.