Fotosyntetisk plankton som dessa Ross Sea kiselalger är nyckelspelare i den globala kolcykeln och utgör basen för marina näringsnät, men en ny studie visar att deras förmåga att förvärva järn är mycket känslig för havsförsurning. Kredit:Jeff McQuaid
Ett team ledd av forskare från Scripps Institution of Oceanography vid University of California San Diego och J. Craig Venter Institute (JCVI) har visat att överskottet av koldioxid som tillförs atmosfären genom förbränning av fossila bränslen stör hälsan hos växtplankton som utgör basen för marina näringsnät.
Växtplankton är mikroskopiska växter vars tillväxt i havets ytvatten stödjer havets näringsnät och globalt marint fiske. De är också nyckelfaktorer för det långsiktiga avlägsnandet av koldioxid (CO 2 )
Som rapporterats i 14 mars upplagan av Natur , teamet visar att en mekanism som ofta används av växtplankton för att förvärva järn har ett krav på karbonatjoner. Stigande koncentrationer av atmosfärisk CO 2 försurar havet och minskar karbonat, och teamet visar hur denna förlust av karbonat påverkar växtplanktonets förmåga att få tillräckligt med näringsämnet järn för tillväxt. Havsförsurningen är redo att minska koncentrationen av karbonatjoner vid havet med 50 procent i slutet av detta århundrade.
Studien, "Karbonatkänsligt fytotransferrin kontrollerar högaffinitetsjärnupptaget i kiselalger, " finansierades av National Science Foundation, Gordon och Betty Moore Foundation, och det amerikanska energidepartementet. Det avslöjar en oväntad vändning av teorin om hur järn kontrollerar tillväxten av växtplankton. Genom att visa hur förlusten av havsvattenkarbonat hämmar växtplanktonets förmåga att ta tag i järn, författarna visar ett direkt samband mellan effekterna av havsförsurning och hälsan hos växtplankton vid basen av den marina näringskedjan.
"I slutändan avslöjar vår studie möjligheten av en "återkopplingsmekanism" som fungerar i delar av havet där järn redan begränsar tillväxten av växtplankton, " sa Jeff McQuaid, huvudförfattare till studien som gjorde upptäckterna som doktorand vid Scripps Oceanography. "I dessa regioner, höga koncentrationer av atmosfärisk CO 2 kan minska tillväxten av växtplankton, begränsar havets förmåga att absorbera CO 2 och därmed leder till allt högre koncentrationer av CO 2 ackumuleras i atmosfären."
"Studier som undersöker effekterna av hög CO 2 om växtplanktontillväxt har visat blandade resultat hittills. I vissa fall, visst växtplankton verkar dra nytta av högt koldioxid 2 , " tillade Andrew E. Allen, en biolog med en gemensam utnämning på Scripps och JCVI som är senior författare och initiativtagare till studien. "De flesta av dessa studier, dock, har utförts under höga järnförhållanden. Vår studie avslöjar en utbredd cellulär mekanism som tyder på hög CO 2 kan vara särskilt problematiskt för växtplanktontillväxt i områden med låg järnhalt i havet."
Huvudförfattaren Jeff McQuaid tittar på en rad pumpar utformade för att testa effekterna av högt koldioxid 2 på Ross Sea växtplankton i Antarktis. Flera nyare studier har noterat att hög CO 2 har en negativ effekt på växtplankton som växer i miljöer med låg järnhalt som Southern Ocean. Kredit:A.E. Allen
En konsekvens av försurning är en nästan en-för-en-minskning av koncentrationen av karbonatjoner för varje molekyl av CO 2 som löser sig i havet. Koncentrationen av atmosfärisk CO 2 förutspås fördubblas i slutet av detta århundrade; Således, koncentrationen av karbonatjoner vid havets yta kommer nästan att halveras till år 2100. Även om försurningens negativa inverkan på koraller och skaldjur är känd, detta är den första studien som avslöjar en mekanism som påverkar livet som utgör basen för de flesta marina näringsnäten.
Denna studie reviderar ett nyckelbegrepp inom oceanografin att tillväxten av växtplankton i stora delar av havet regleras av koncentrationen av järn. I havsregioner som är höga i lösta näringsämnen som kväve och fosfor, järnbegränsning resulterar i låga mängder växtplankton i förhållande till mängder tillgängliga näringsämnen. Tillsats av järn till dessa områden orsakar växtplankton, särskilt kiselalger, att växa. I den största av dessa regioner, södra oceanen, koncentrationer av tillgängligt järn är under en biljondels gram per liter, närmar sig gränsen för att försörja livet.
Havsforskare har ägnat decennier åt att undersöka hur växtplankton kan ta så låga koncentrationer av järn från havsvatten och internalisera det.
"Att förstå mekanismen för järnupptag är avgörande för att utveckla meningsfulla förutsägelser om hur växtplankton kan reagera på framtida havsförhållanden, men denna förståelse har varit svårfångad, sade Adam Kustka, en spårmetallfysiolog och projektsamarbetspartner från Rutgers University.
Ledtrådar började dyka upp 2008, när Allen upptäckte flera järnkänsliga gener i kiselalger som inte hade någon känd funktion. Samma år, McQuaid reste runt i östra Antarktis och hjälpte till med en undersökning av plankton i södra oceanen. DNA-analys av dessa prover visade att en av Allens järngener inte bara fanns i varje prov av havsvatten, men varje större växtplanktongrupp i södra oceanen verkade ha en kopia.
"Denna gen, kallas ISIP2A, var en av de mest rikligt transkriberade generna i södra oceanen med låg järnhalt, antyder att det hade en mycket viktig roll i miljön, " sa Allen.
Andrew Allen förbereder ett prov av växtplankton som filtrerats från Rosshavet. I flera av de antarktiska marina proverna, fytotransferrin var bland de mest förekommande proteinerna som upptäcktes. Kredit:E. Bertrand
Tidigare studier antydde ett transferrinliknande protein, kallas fytotransferrin, arbetade i den marina miljön, men ISIP2A såg ingenting ut som transferrin. Det krävde utvecklingen av en helt ny disciplin, syntetisk biologi, för att bevisa teamets hypotes att ISIP2A var en typ av transferrin. Syntetisk biologi är sammansmältningen av biologi och teknik, och i samarbete med forskare med Venter-institutet, teamet utvecklade metoder för att infoga syntetiskt DNA i en marin kiselalg. Forskarna raderade ISIP2A och ersatte det med en syntetisk gen för humant transferrin, som visar att ISIP2A var en typ av transferrin.
Teamet inledde sedan en studie för att undersöka de evolutionära förhållandena mellan transferrin och fytotransferrin. Till deras förvåning, proteinerna var funktionella analoger vars antika ursprung sträcker sig till den pre-kambriska perioden av jordens historia, före utseendet på moderna växter och djur.
"Fytotransferrins utseende för cirka 700 miljoner år sedan stämmer överens med en tid i jordens historia som präglades av massiva förändringar i oceanernas kemi, och denna urgamla evolutionära historia hjälper till att förklara varför ingen har kopplat ISIP2A och transferrin, sade Miroslav Oborník, en molekylär evolutionär biolog från University of South Bohemia och medförfattare på tidningen.
I transferrin, järn och karbonat binder samtidigt, och ingen av dem kan binda i den andras frånvaro. Sådan synergistisk bindning är unik bland biologiska interaktioner. Forskargruppen antog att kiselalger fytotransferrin använder en liknande mekanism och att, som ett resultat, minskningar av karbonatjoner kan leda till minskad växtplanktontillväxt.
Med hjälp av ett antal biokemiska metoder, forskarna kunde självständigt manipulera pH tillsammans med koncentrationerna av järn och karbonatjoner. När de pumpade in ökande koncentrationer av CO 2 , teamet visade att förmågan hos deras kiselalger att ta tag i järn minskade proportionellt med koncentrationen av karbonatjoner.
"Eftersom karbonat och järn måste binda samtidigt, när karbonatkoncentrationerna sjunker, fytotransferrin kan "se" mindre järn, ", sa McQuaid. "Den totala mängden järn förändras inte - snarare förändras förmågan att ta tag i det, och detta påverkar i slutändan tillväxttakten."
