Azot jest niezbędnym składnikiem wszystkich żywych organizmów. Jest także kluczowym elementem kontrolującym wzrost upraw na lądzie, a także mikroskopijnych roślin oceanicznych, które wytwarzają o połowę mniej tlenu na naszej planecie. Atmosferyczny azot jest zdecydowanie największą pulą azotu, ale rośliny nie są w stanie przekształcić go w użyteczną formę. Zamiast tego rośliny uprawne, takie jak soja, groch i lucerna (zwane łącznie roślinami strączkowymi), nabyły partnerów bakteryjnych Rhizobial, którzy „wiążą” azot atmosferyczny w amon. To partnerstwo sprawia, że rośliny strączkowe są jednym z najważniejszych źródeł białka w produkcji żywności.
Naukowcy z Instytutu Mikrobiologii Morskiej im. Maxa Plancka w Bremie w Niemczech donoszą obecnie, że Rhizobia może również tworzyć podobne partnerstwa z maleńkimi roślinami morskimi zwanymi okrzemkami – odkrycie, które rozwiązuje długoletnią zagadkę morską i które ma potencjalnie dalekosiężne zastosowania w rolnictwie .
Enigmatyczny morski utrwalacz azotu ukryty w okrzemce
Przez wiele lat zakładano, że większość wiązania azotu w oceanach jest przeprowadzana przez organizmy fotosyntetyzujące zwane cyjanobakteriami. Jednak w rozległych obszarach oceanu nie ma wystarczającej liczby cyjanobakterii, aby uwzględnić zmierzone wiązanie azotu. W ten sposób wywołano kontrowersje, a wielu naukowców postawiło hipotezę, że za „brakujące” wiązanie azotu muszą odpowiadać mikroorganizmy inne niż sinice. „Przez lata znajdowaliśmy fragmenty genów kodujące enzym azotazę wiążącą azot, który najwyraźniej należał do jednego konkretnego, niecyjanobakteryjnego związku wiążącego azot” – mówi Marcel Kuypers, główny autor badania. „Ale nie mogliśmy dokładnie ustalić, kim był ten tajemniczy organizm, w związku z czym nie mieliśmy pojęcia, czy jest on ważny dla wiązania azotu”.
W 2020 roku naukowcy udali się z Bremy na tropikalny północny Atlantyk, aby dołączyć do wyprawy z udziałem dwóch niemieckich statków badawczych. Zebrali setki litrów wody morskiej z regionu, w którym odbywa się duża część globalnego wiązania azotu w morzu, mając nadzieję zarówno na identyfikację, jak i ilościowe określenie znaczenia tajemniczego środka wiążącego azot. Ułożenie genomu zajęło im kolejne trzy lata. „To była długa i żmudna praca detektywistyczna” – mówi Bernhard Tschitschko, pierwszy autor badania i ekspert w dziedzinie bioinformatyki, „ale ostatecznie genom rozwiązał wiele tajemnic”. Pierwszą była tożsamość organizmu. „Chociaż wiedzieliśmy, że gen azotazy pochodzi od bakterii spokrewnionej z Vibrio, nieoczekiwanie sam organizm był blisko spokrewniony z Rhizobią żyjącą w symbiozie z roślinami strączkowymi” – wyjaśnia Tschitschko. W połączeniu z zaskakująco małym genomem zwiększa to prawdopodobieństwo, że morska Rhizobia może być symbiontem.
Pierwsza znana symbioza tego rodzaju
Zachęceni tymi odkryciami autorzy opracowali sondę genetyczną, którą można wykorzystać do fluorescencyjnego znakowania Rhizobii. Kiedy zastosowali go do oryginalnych próbek wody morskiej pobranych z północnego Atlantyku, ich podejrzenia, że jest to symbiont, szybko się potwierdziły. „Znaleźliśmy zestawy czterech Rhizobów, zawsze znajdujących się w tym samym miejscu wewnątrz okrzemek” – mówi Kuypers. „To było bardzo ekscytujące, ponieważ jest to pierwsza znana symbioza pomiędzy okrzemką a niecyjanobakteryjnym wiążącym azot”.
Naukowcy nazwali nowo odkrytego symbionta Candidatus Tectiglobus diatomicola. Po ustaleniu w końcu tożsamości brakującego utrwalacza azotu skupili swoją uwagę na badaniu partnerstwa bakterii i okrzemek. Korzystając z technologii zwanej nanoSIMS, mogli wykazać, że Rhizobia wymienia związany azot z okrzemką w zamian za węgiel. Wkłada w to wiele wysiłku: „Aby wesprzeć wzrost okrzemki, bakteria wiąże 100 razy więcej azotu, niż sama potrzebuje” – wyjaśnia Wiebke Mohr, jeden z naukowców piszących w artykule.
Kluczowa rola w utrzymaniu produktywności morza
Następnie zespół powrócił do oceanów, aby odkryć, jak powszechna może być nowa symbioza w środowisku. Szybko okazało się, że nowo odkryte partnerstwo występuje w całych oceanach świata, zwłaszcza w regionach, w których cyjanobakteryjne wiążącze azotu są rzadkością. Zatem te maleńkie organizmy prawdopodobnie odgrywają główną rolę w całkowitym wiązaniu azotu w oceanach i dlatego odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu produktywności mórz i globalnej absorpcji dwutlenku węgla przez oceany.
Kluczowy kandydat na inżynierię rolniczą?
Oprócz jej znaczenia dla wiązania azotu w oceanach, odkrycie symbiozy wskazuje na inne ekscytujące możliwości w przyszłości. Kuypers jest szczególnie podekscytowany znaczeniem odkrycia z ewolucyjnego punktu widzenia. „Ewolucyjne adaptacje Ca. T. diatomicola są bardzo podobne do endosymbiotycznej cyjanobakterii UCYN-A, która funkcjonuje jako organella wiążąca azot na wczesnym etapie rozwoju. Dlatego naprawdę kuszące jest spekulowanie, że Ca. T. diatomicola i jej żywiciel okrzemkowy może być również na wczesnym etapie stawania się jednym organizmem.”
Tschitschko zgadza się, że tożsamość i organelle podobne do organelli są szczególnie intrygujące: „Jak dotąd wykazano, że takie organelle pochodzą jedynie od cyjanobakterii, ale konsekwencje znalezienia ich wśród Rhizobiales są bardzo ekscytujące, biorąc pod uwagę, że bakterie te są niezwykle ważne dla rolnictwa Niewielkie rozmiary i organelle morskie Rhizobiales oznaczają, że pewnego dnia może on stać się kluczowym kandydatem do skonstruowania roślin wiążących azot”.
Naukowcy będą teraz kontynuować badania nowo odkrytej symbiozy i sprawdzić, czy w oceanach występują podobne symbiozy.