I världshaven, mikrober fångar solenergi, katalysera viktiga biogeokemiska transformationer av viktiga element, producera och konsumera växthusgaser, och utgör basen av den marina näringsväven. Mikrobiella ekologer som arbetar inom Sonya Dyhrmans laboratorium vid Lamont-Doherty Earth Observatory strävar efter att förstå havens ekosystemprocesser genom att studera en mängd varelser, de flesta för små för det mänskliga ögat att se. Dessa är de små mikroberna som kallas växtplankton som lever under havets yta, tar upp koldioxid, solljus och näringsämnen för att producera syre. Syret är viktigt för människans överlevnad.

"Ett av vårt labbs motton är "ta ett andetag, tacka ett växtplankton, ", sa forskaren Matthew Harke. Kiselalger, en typ av mikroskopiskt växtplankton, beräknas producera en femtedel av det syre vi andas.

"Den osedda mikrobiella världen ligger till grund för fisket, klimat, och själva funktionen av havsekosystem, och vi vill veta hur dessa ekosystem kommer att förändras i framtiden, " förklarar Dyhrman.

Bland frågorna som driver Dyhrmans team är:hur överlever och frodas dessa viktiga kiselalger under svåra förhållanden? En ny studie författad av Harke och medlemmar av Dyhrman-teamet publicerad idag i ISME kastar ljus.

"Baserat på denna senaste forskning, vi borde förmodligen ändra vårt labbmotto till 'ta ett andetag, tacka ett växtplankton och deras vänner, ", sa Harke. Hans upptäckt kännetecknar ett symbiotiskt förhållande mellan kiselalger och bakterier. "Vi hade en känsla av att denna vänskapliga relation var avgörande för kiselalgens framgång, men deras förhållande var i stort sett okarakteriserat, sa Harke.

Harke och teamets forskning beskriver en funktion som liknar den hos mänsklig matsmältning.

"Vi vet att den mänskliga mikrobiomet är avgörande för vår hälsa - vi skulle inte kunna smälta våra luncher utan de många hjälpsamma bakterier som lever med oss! Med min forskning, vi visar att växtplankton också är beroende av hjälpsamma bakteriella partnerskap, sa Harke.

De mikroskopiska organismer som teamet var intresserade av var en kiselalg och dess symbiotiska kvävefixerande cyanobakteriepartner. Eftersom dessa organismer är mycket svåra att odla i labbet, Dyhrman-teamet fick segla till mitten av Stilla havet, hundratals mil utanför Hawaiis kust, att hitta dem. Detta är ett stort havsområde som fångas av strömmar som kallas North Pacific Subtropical Gyre (NPSG). Detta sekvestrerade vatten bildar ett ekosystem som tenderar att ha låga resurser, såsom kväve och fosfor. Det är en slags havsöken jämfört med kustnära ekosystem som är rika på näringsämnen. Här, Dyhrmanlabbet har deltagit i en pågående, samarbete känd som Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, eller OMFATTNING. Studien, finansierat av ett anslag på flera miljoner dollar från Simons Foundation, engagerar vetenskapliga partners runt om i världen. Teamet sållade genom tusentals liter havsvatten, som de samlade in under fyra dagar i juli 2015.

"Eftersom de är mikroskopiska, vi använde molekylära verktyg för att utforska dessa interaktioner. Från det filtrerade vattnet, vi sekvenserade alla gener som slogs på och av av detta partnerskap och använde superdatorer för att rekonstruera hur deras metabolism var sammanflätad under dag-natt-cykler, " förklarade Harke.

Viktigt, forskningen tyder på att dessa "vänner" kan hjälpa kiselalger att överleva de svåra förhållandena i de öppna haven där växtnäringsämnen är knappa. Till exempel, forskningen bevittnade delade genuttrycksmönster som tyder på delning av resurser som behövs för tillväxt. Kiselalgens "vän" i detta partnerskap kan fånga upp kvävgas och omvandla den till en användbar form, matar kiselalgen välbehövligt kväve i utbyte mot skydd (kiselalger har ett glasliknande skal) och kol. Forskningen hittade också genetiska bevis för hur de två organismerna håller ihop och reproducerar sig.

"Med denna studie, vi har gett en ny syn på hur detta partnerskap fungerar, ge insikt i en baslinje som vi måste studera för att förutsäga vad vi kan förvänta oss i ett framtida hav, " sa Harke. NPSG är en av de största biomen på jorden. "När klimatet fortsätter att förändras, dessa oligotrofa [näringssugna] hav förutspås expandera, kommer sannolikt att göra dessa partnerskap viktigare."