Фитопланктон почти такой же старый, как Земля — около 3 миллиардов лет по сравнению с 4,5 миллиардами лет планеты — все еще хранит секреты, в том числе то, как он может пережить голод в океанах с наибольшим дефицитом питательных веществ. Synechococcus является наиболее географически разнообразным из трех видов фитопланктона, на его долю приходится четверть первичной продукции океанов, и он встречается как в холодных полярных водах, так и в теплых тропических морях.
Теперь исследователи из Института биоэнергетики и биопроцессов Циндао (QIBEBT) Китайской академии наук (CAS), возможно, обнаружили, кого благодарить за постоянное существование фитопланктона: гетеротрофных бактерий.
В ходе серии многолетних экспериментов команда обнаружила, что Synechococcus и бактерии, которые ими питаются, могут иметь врожденную тенденцию к мутуализму и претерпевать значительные изменения, чтобы способствовать выживанию друг друга. Морские водоросли Synechococcus и связанные с ними гетеротрофные бактериальные сообщества имеют неразрывно тесные отношения.
Их выводы были опубликованы 30 сентября в журнале Science Advances.
Предыдущие исследования включают одно, в котором фитопланктон и его бактериальное сообщество процветали более двух лет без какой-либо внешней поддержки питательными веществами. По словам профессора Чжан Юньюй из QIBEBT, эти результаты намекают на микробные взаимодействия, которые могут поддерживать долгосрочный рост Synechococcus, но только в контролируемых и последовательных экспериментальных условиях.
Однако, в отличие от лабораторных систем культивирования, океан не является статичным и испытывает изменения факторов окружающей среды, включая питательные вещества. «Это исследование было проведено, чтобы понять, как изменения факторов окружающей среды , таких как доступность внешних питательных веществ, повлияют на мутуалистические отношения между Synechococcus и гетеротрофным бактериальным сообществом», — сказал автор-корреспондент профессор Чжан.
Имитируя изменение морской среды , исследователи добавили стерильные неорганические питательные вещества в установленную мутуалистическую совместную культуру Synechococcus и разнообразного бактериального сообщества из их предыдущего исследования. Двухлетние стабильные и взаимовыгодные отношения пошатнулись, но не разорвались.
«Наши результаты показывают, что доступность внешних источников питательных веществ нарушает установленный мутуализм, что приводит к коллапсу здоровья Synechococcus», — сказал соавтор Шайлеш Наир, научный сотрудник QIBEBT. «Однако, как только внешние питательные вещества были исчерпаны, в течение следующих 450 дней Synechococcus и гетеротрофные бактерии постепенно восстановили свой метаболический мутуализм в условиях длительного сосуществования, что восстановило здоровье Synechococcus».
С помощью генетического анализа и отслеживания азота в системе исследователи определили, что бактерии способствовали фиксации азота , превращая азот для использования в качестве поддержки фитопланктона, что вызвало восстановление мутуализма.
«Во время этого процесса структура и функции бактериального сообщества претерпели огромные корректировки для достижения движущего эффекта, а когенерация бактериями азота, фосфора, железа и витамина B12 поддерживала длительный здоровый рост Synechococcus», — сказал соавтор Чжан Цзэнху, доцент КИБЕБТ.
Эти данные свидетельствуют о том, что Synechococcus и гетеротрофные бактерии могут иметь врожденную тенденцию к мутуализму, которая может быть восстановлена после вмешательства окружающей среды. Эта естественная повторяющаяся черта Synechococcus и гетеротрофных бактерий может проявлять их коэволюционную адаптацию к среде с дефицитом питательных веществ для выживания.
Хотя исследователи заявили, что, по их мнению, это исследование ответило на давний вопрос о стойкости Synechococcus, теперь у них есть еще несколько вопросов, на которые они планируют ответить.
«Применимы ли эти неотъемлемые мутуалистические отношения и к другим водорослям?» — спросил Чжан Юньюй. «Можем ли мы ускорить рост водорослей, искусственно создав благоприятные для водорослей микробные сообщества? Потенциальное регулирование взаимодействия водорослей и бактерий может предложить новый способ увеличения связывания углерода морскими водорослями».
