Ett växtplankton som är nästan lika gammalt som jorden - cirka 3 miljarder år jämfört med planetens 4,5 miljarder år - har fortfarande hemligheter, inklusive hur det kan överleva svält i de mest näringsbristiga haven. Synechococcus är den mest geografiskt mångfaldiga av tre växtplanktonarter, som bidrar till en fjärdedel av havens primärproduktion och förekommer i både kyliga polära vatten och varma tropiska hav.

Nu kan forskare från Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT), Chinese Academy of Sciences (CAS), ha upptäckt vem de ska tacka för växtplanktonets ihållande existens:heterotrofa bakterier.

I en serie fleråriga experiment fann teamet att Synechococcus och bakterierna som livnär sig på dem kan ha en inneboende tendens till ömsesidighet och kommer att genomgå betydande förändringar för att uppmuntra varandras överlevnad. Den marina algen Synechococcus och dess associerade heterotrofa bakteriesamhälle har ett oskiljaktigt nära förhållande.

Deras resultat publicerades den 30 september i Science Advances .

Tidigare studier inkluderar en där växtplanktonet och dess bakteriesamhälle trivdes i mer än två år utan något externt näringsstöd. Enligt professor Zhang Yongyu från QIBEBT, antyder dessa resultat mikrobiella interaktioner som kan upprätthålla långsiktig Synechococcus-tillväxt, men endast under kontrollerade och konsekventa experimentella omständigheter.

Men till skillnad från laboratoriekultursystem är havet inte statiskt och upplever förändringar i miljöfaktorer, inklusive näringsämnen. "Denna studie genomfördes för att förstå hur förändringar i miljöfaktorer, såsom tillgången på externa näringsämnen, kommer att påverka det ömsesidiga förhållandet mellan Synechococcus och heterotrofa bakteriesamhället", säger motsvarande författare Prof. Zhang.

I likhet med förändringen i havsmiljön tillförde forskarna sterila oorganiska näringsämnen till den etablerade mutualistiska samkulturen av Synechococcus och en mångfaldig bakteriegemenskap från deras tidigare studie. Det tvååriga stabila och ömsesidigt fördelaktiga förhållandet spände men bröts inte.

"Våra fynd tyder på att tillgången på externa näringskällor stör den etablerade ömsesidigheten, vilket leder till kollapsen av Synechococcus-hälsan", säger den första författaren Shailesh Nair, postdoktor vid QIBEBT. "Men när de externa näringsämnena var uttömda, under de kommande 450 dagarna, återupprättade Synechococcus och heterotrofa bakterier gradvis sin metaboliska mutualism under långvarig samexistens som återupplivade Synechococcus hälsa."

Genom genetisk analys och spårning av kvävet i systemet, fastställde forskarna att bakterierna underlättade kvävefixering och omvandlade kväve för att användas för att bära upp växtplanktonet, vilket utlöste den återupprättade mutualismen.

"Under processen genomgick bakteriesamhällets struktur och funktioner enorma justeringar för att uppnå driveffekten, och bakteriernas samgenerering av kväve, fosfor, järn och vitamin B12 upprätthöll Synechococcus långvariga hälsosamma tillväxt", säger medförfattaren Zhang Zenghu, docent vid QIBEBT.

Dessa fynd tyder på att Synechococcus och heterotrofa bakterier kan ha en inneboende tendens till mutualism, som kan återupprättas efter miljöpåverkan. Denna naturliga, återkommande egenskap hos Synechococcus och heterotrofa bakterier kan uppvisa sina samevolutionära anpassningar i näringsbristmiljöer för överlevnad.

Medan forskarna sa att de tror att den här studien besvarade den långvariga frågan om Synechococcus ihärdighet, har de nu flera frågor de planerar att svara på.

"Gäller detta inneboende mutualistiska förhållande för andra alger också?" frågade Zhang Yongyu. "Kan vi öka algtillväxten genom att på konstgjord väg bygga upp algvänliga mikrobiella samhällen? Den potentiella regleringen av interaktioner mellan alger och bakterier kan erbjuda ett nytt sätt att öka algdriven marin kolbindning." + Utforska vidare

Undersöker de symbiotiska sambanden som kan utlösa skadliga algblomningar