Kväve är en viktig komponent i alla levande organismer. Det är också nyckeln som styr tillväxten av grödor på land, såväl som de mikroskopiska oceaniska växterna som producerar hälften av syret på vår planet. Atmosfärisk kvävgas är den överlägset största poolen av kväve, men växter kan inte omvandla den till en användbar form.
Istället har skördeväxter som sojabönor, ärtor och alfalfa (tillsammans känd som baljväxter) skaffat rhizobiella bakteriepartners som "fixerar" atmosfäriskt kväve till ammonium. Detta partnerskap gör baljväxter till en av de viktigaste proteinkällorna i livsmedelsproduktionen.
Forskare från Max Planck Institute for Marine Microbiology i Bremen, Tyskland, rapporterar nu i Nature , att rhizobia också kan bilda liknande partnerskap med små marina växter som kallas kiselalger – en upptäckt som löser ett långvarigt marint mysterium och som har potentiellt långtgående tillämpningar inom jordbruket.
Under många år antog man att den mesta kvävefixeringen i haven utfördes av fotosyntetiska organismer som kallas cyanobakterier. Men i stora delar av havet finns det inte tillräckligt med cyanobakterier för att ta hänsyn till uppmätt kvävefixering. Således väcktes en kontrovers, med många forskare som antog att icke-cyanobakteriella mikroorganismer måste vara ansvariga för den "saknade" kvävefixeringen.
"I åratal har vi hittat genfragment som kodar för det kvävefixerande nitrogenasenzymet, som verkade tillhöra en viss icke-cyanobakteriell kvävefixerare", säger Marcel Kuypers, huvudförfattare till studien. "Men vi kunde inte räkna ut exakt vem den gåtfulla organismen var och hade därför ingen aning om det var viktigt för kvävefixering."
År 2020 reste forskarna från Bremen till den tropiska Nordatlanten för att gå med i en expedition med två tyska forskningsfartyg. De samlade in hundratals liter havsvatten från regionen, där en stor del av den globala marina kvävefixeringen äger rum, i hopp om att både identifiera och kvantifiera betydelsen av den mystiska kvävefixaren. Det tog dem de följande tre åren att äntligen pussla ihop dess arvsmassa.
"Det var ett långt och mödosamt detektivarbete", säger Bernhard Tschitschko, första författare till studien och expert på bioinformatik, "men i slutändan löste genomet många mysterier."
Den första var organismens identitet, "Medan vi visste att nitrogenasgenen härstammar från en Vibrio-relaterad bakterie, var organismen i sig oväntat nära besläktad med rhizobia som lever i symbios med baljväxter", förklarar Tschitschko. Tillsammans med dess förvånansvärt lilla genom, lyfte detta möjligheten att den marina rhizobien kan vara en symbiont.
Den första kända symbiosen av detta slag
Påskyndad av dessa upptäckter utvecklade författarna en genetisk sond som kunde användas för att fluorescerande märka rhizobia. När de väl applicerade det på de ursprungliga havsvattenproverna som samlats in från Nordatlanten, bekräftades snabbt deras misstankar om att det var en symbiont.
"Vi hittade uppsättningar av fyra rhizobier, som alltid satt på samma plats inuti kiselalgerna", säger Kuypers, "Det var väldigt spännande eftersom detta är den första kända symbiosen mellan en kiselalger och en icke-cyanobakteriell kvävefixerare."
Forskarna döpte den nyupptäckta symbionten Candidatus Tectiglobus diatomicola. Efter att äntligen ha tagit reda på identiteten på det saknade kvävefixeringsmedlet, fokuserade de sin uppmärksamhet på att ta reda på hur bakterierna och kiselalgen lever i partnerskap. Med hjälp av en teknik som kallas nanoSIMS kunde de visa att rhizobien byter fast kväve med kiselalgen i utbyte mot kol. Och den lägger mycket kraft på det:"För att stödja kiselalgens tillväxt fixerar bakterien 100 gånger mer kväve än den behöver för sig själv", förklarar Wiebke Mohr, en av forskarna på tidningen.
Därefter vände teamet tillbaka till haven för att upptäcka hur utbredd den nya symbiosen kan vara i miljön. Det visade sig snabbt att det nyupptäckta partnerskapet finns över hela världens hav, särskilt i regioner där cyanobakteriella kvävefixerare är sällsynta. Dessa små organismer är därför sannolikt stora aktörer i den totala havskvävefixeringen och spelar därför en avgörande roll för att upprätthålla marin produktivitet och det globala oceaniska upptaget av koldioxid.
En nyckelkandidat för lantbruksteknik?
Förutom dess betydelse för kvävefixering i haven, antyder upptäckten av symbiosen andra spännande möjligheter i framtiden. Kuypers är särskilt exalterad över vad upptäckten betyder ur ett evolutionärt perspektiv.
"De evolutionära anpassningarna av Ca. T. diatomicola är mycket lika den endosymbiotiska cyanobakterien UCYN-A, som fungerar som en kvävefixerande organell i tidigt stadium. Därför är det verkligen frestande att spekulera i att Ca. T. diatomicola och dess kiselalgervärd kan också vara i de tidiga stadierna av att bli en enda organism."
Tschitschko håller med om att symbiontens identitet och organellliknande natur är särskilt spännande, "Hittills har sådana organeller bara visat sig komma från cyanobakterierna, men implikationerna av att hitta dem bland rhizobiales är mycket spännande, med tanke på att dessa bakterier är oerhört viktiga för jordbruket. Den lilla storleken och den organellliknande naturen hos de marina rhizobialesna gör att den kan vara en nyckelkandidat för att konstruera kvävefixerande växter en dag."
Forskarna kommer nu att fortsätta att studera den nyupptäckta symbiosen och se om fler liknande den också finns i haven.
Mer information: Bernhard Tschitschko et al, Rhizobia-kiselalgsymbios fixar saknat kväve i havet, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07495-w
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Max Planck Society
