Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego wykazało, że okrzemki oceaniczne łączą fotosyntezę z bezpośrednim zużyciem węgla, zmieniając wcześniejsze poglądy na temat metod pobierania węgla. Ta podwójna strategia, na którą wpływają interakcje bakteryjne, może znacząco wpłynąć na zrozumienie globalnego obiegu węgla.
Okrzemki oceaniczne, jak Closterium Cylindrothecabudują biomasę zarówno w drodze fotosyntezy, jak i zużywania węgla organicznego, co może zmienić nasz pogląd na globalny obieg węgla.
Ostatnie badania wskazują, że okrzemki żyjące w oceanach mają więcej niż jedną metodę akumulacji węgla. Oprócz fotosynteza, ten jednokomórkowy plankton również zwiększa swoją biomasę, zużywając węgiel organiczny bezpośrednio z oceanu. Odkrycie to może skłonić naukowców do rewizji szacunków dotyczących ilości dwutlenku węgla pochłanianego przez okrzemki z atmosfery w procesie fotosyntezy. W konsekwencji może to zmienić nasze rozumienie globalnego obiegu węgla, co jest szczególnie ważne w kontekście zmian klimatycznych.
Badaniami tymi kierują bioinżynierowie, eksperci bioinformatyki i inni badacze genomiki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Nowe ustalenia zostały opublikowane w czasopiśmie Postęp nauki 17 lipca 2024 r.
Zespół pokazał, że okrzemka Cylindrotheca closterium, który występuje w oceanach na całym świecie, regularnie przeprowadza jednoczesną mieszankę fotosyntezy i bezpośredniego pochłaniania węgla ze źródeł organicznych, takich jak plankton. W ponad 70% próbek wody z oceanów na całym świecie, które naukowcy przeanalizowali, zespół odkrył oznaki jednoczesnej fotosyntezy i bezpośredniego zużycia węgla organicznego z oceanów. Closterium Cylindrotheca.
Zespół pokazał również, że to okrzemka gatunek mogą rosnąć znacznie szybciej, gdy oprócz fotosyntezy zużywają węgiel organiczny.
Co więcej, nowe badania wskazują na kuszącą możliwość, że określone gatunki bakterii dostarczają węgiel organiczny bezpośrednio dużemu procentowi okrzemek żyjących w całym oceanie.
Praca ta opiera się na podejściu do modelowania metabolicznego w skali genomu, które zespół wykorzystał do rozwikłania metabolizmu okrzemki Closterium Cylindrotheca. Naukowcy ograniczyli swój model metaboliczny w skali genomu do globalnych danych dotyczących ekspresji genów uzyskanych podczas wyprawy oceanicznej TARA. Naukowcy są przekonani, że po raz pierwszy na skalę globalną zastosowano modele w skali genomu.
Nowe dane zespołu dotyczące modelowania metabolicznego potwierdzają najnowsze eksperymenty laboratoryjne sugerujące, że niektóre okrzemki mogą opierać się na strategiach innych niż fotosynteza, aby pobierać węgiel niezbędny do przeżycia, rozwoju i budowania biomasy.
Zespół kierowany przez Uniwersytet Kalifornijski w San Diego jest w trakcie rozszerzania zakresu projektu, aby określić, jak powszechna jest ta niefotosyntetyczna aktywność wśród innych gatunków okrzemek.
Czy bakterie oceaniczne żywią się okrzemkami?
Kiedy zespół przyjrzał się parametrom fizycznym i chemicznym zmierzonym w próbkach wody oceanicznej – w tym temperaturze, pH, zasoleniu, dostępowi światła, azotu i węgla – nie znalazł żadnej korelacji między tymi parametrami a tendencją okrzemek do odwracania się. ze strategii opartych wyłącznie na fotosyntezie.
Zespół znalazł jednak wyraźny sygnał podczas badania konkretnych populacji bakterii współistniejących z okrzemką Closterium Cylindrotheca w próbkach wody oceanicznej. Odkrycie to wskazuje na interakcje bakterie i okrzemki, które napędzają jednoczesną mieszankę fotosyntezy i bezpośredniego zużycia węgla organicznego – zjawisko znane jako „miksotrofia”.
Zespół jest przekonany, że określone bakterie mogą bezpośrednio odżywiać okrzemki, dzięki czemu okrzemki stają się jednymi z najskuteczniejszych i najważniejszych drobnoustrojów na planecie pod względem produkcji tlenu, sekwestracji węgla oraz stanowią podstawę sieci troficznych obsługujących prawie wszystkie życie w oceanie.
„Okrzemki wnoszą główny wkład w morskie łańcuchy pokarmowe i są kluczowymi czynnikami napędzającymi globalny cykl węglowy. Wcześniej oszacowaliśmy wszystkie modele obiegu węgla przy założeniu, że jedyną rolą, jaką odgrywają okrzemki, jest wiązanie dwutlenku węgla. Nasze odkrycia pokazują, że tak nie jest, ale okrzemki jednocześnie zjadają węgiel organiczny. Innymi słowy, pokazaliśmy, że wzrost i produkcja biomasy okrzemek nie opiera się wyłącznie na wiązaniu dwutlenku węgla. Wierzymy, że te wyniki będą miały poważne implikacje dla naszego zrozumienia globalnego obiegu węgla” – powiedział profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego Karsten Zengler, profesor na wydziałach pediatrii i bioinżynierii oraz badacz w Centrum Innowacji Mikrobiomu w Jacobs School of Engineering.
„Chociaż w laboratorium miały miejsce ciekawe obserwacje dotyczące okrzemek odbiegających od fotosyntezy, niemożliwe było sprawdzenie, jakiego rodzaju metabolizmem zachodzą te okrzemki w oceanie – aż do teraz. Dzieje się tak dlatego, że w ten proces zaangażowanych jest wiele, wiele genów i bardzo trudno jest określić, który proces jest aktywny, na podstawie samych danych dotyczących ekspresji genów. Nasze podejście pozwala sprostać temu wyzwaniu.”
Zespół badawczy ma nadzieję, że ta praca pobudzi zainteresowanie znacznie bliższym spojrzeniem na nasze zrozumienie globalnego obiegu węgla, biorąc pod uwagę nowe, szersze zrozumienie tego, w jaki sposób okrzemki oceaniczne pozyskują węgiel.
To, co bakterie odżywiające okrzemki mogą uzyskać z tego związku, to kolejne pytanie do dalszych badań.
Odniesienie: „Miksotroficzny wzrost wszechobecnej okrzemki morskiej” Manish Kumar, Juan D. Tibocha-Bonilla, Zoltán Füssy, Chloe Lieng, Sarah M. Schwenck, Alice V. Levesque, Mahmoud M. Al-Bassam, Anurag Passi, Maxwell Neal , Cristal Zuniga, Farrah Kaiyom, Josh L. Espinoza, Hyungyu Lim, Shawn W. Polson, Lisa Zeigler Allen i Karsten Zengler, 17 lipca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ado2623
Badanie zostało sfinansowane przez Fundację Gordona i Betty Moore.
