La nuova simbiosi rizobia-diatomea risolve un mistero marino di vecchia data

Gli scienziati dell’Istituto Max Planck per la microbiologia marina di Brema, in Germania, riferiscono ora che la rizobia può anche formare collaborazioni simili con minuscole piante marine chiamate diatomee: una scoperta che risolve un mistero marino di lunga data e che ha applicazioni agricole potenzialmente di vasta portata. .

Un enigmatico fissatore di azoto marino nascosto all’interno di una diatomea

Per molti anni si è ritenuto che la maggior parte della fissazione dell’azoto negli oceani fosse effettuata da organismi fotosintetici chiamati cianobatteri. Tuttavia, in vaste regioni dell’oceano non ci sono abbastanza cianobatteri per spiegare la fissazione dell’azoto misurata. Si scatenò così una controversia, con molti scienziati che ipotizzarono che i microrganismi non cianobatterici dovessero essere responsabili della fissazione dell’azoto “mancante”. “Per anni abbiamo trovato frammenti di geni che codificano per l’enzima nitratosi che fissa l’azoto, che sembrava appartenere a un particolare fissatore di azoto non cianobatterico”, afferma Marcel Kuypers, autore principale dello studio. “Ma non siamo riusciti a capire con precisione chi fosse l’enigmatico organismo e quindi non avevamo idea se fosse importante per la fissazione dell’azoto.”

Nel 2020, gli scienziati hanno viaggiato da Brema al Nord Atlantico tropicale per unirsi a una spedizione che ha coinvolto due navi da ricerca tedesche. Hanno raccolto centinaia di litri di acqua di mare dalla regione, in cui avviene gran parte della fissazione globale dell’azoto marino, sperando di identificare e quantificare l’importanza del misterioso fissatore dell’azoto. Ci sono voluti tre anni per riuscire finalmente a mettere insieme il suo genoma. “È stato un lavoro investigativo lungo e scrupoloso”, afferma Bernhard Tschitschko, primo autore dello studio ed esperto di bioinformatica, “ma alla fine il genoma ha risolto molti misteri”. Il primo era l’identità dell’organismo. “Mentre sapevamo che il gene della nitzotasi proveniva da un batterio correlato al Vibrio, inaspettatamente, l’organismo stesso era strettamente imparentato con i rizobi ​​che vivono in simbiosi con i legumi”, spiega Tschitschko. Insieme al suo genoma sorprendentemente piccolo, ciò ha sollevato la possibilità che la Rhizobia marina potesse essere un simbionte.

La prima simbiosi conosciuta di questo tipo

Spronati da queste scoperte, gli autori hanno sviluppato una sonda genetica che potrebbe essere utilizzata per etichettare in modo fluorescente i Rhizobia. Una volta applicato ai campioni originali di acqua di mare raccolti nel Nord Atlantico, i loro sospetti che si trattasse di un simbionte sono stati rapidamente confermati. “Stavamo trovando gruppi di quattro rizobi, sempre seduti nello stesso punto all’interno delle diatomee”, dice Kuypers, “È stato molto emozionante in quanto questa è la prima simbiosi conosciuta tra una diatomea e un fissatore di azoto non cianobatterico”.

Gli scienziati hanno chiamato il simbionte appena scoperto Candidato Tectiglobus diatomicola. Dopo aver finalmente individuato l’identità del fissatore di azoto mancante, hanno concentrato la loro attenzione sul modo in cui i batteri e la diatomea vivono in collaborazione. Utilizzando una tecnologia chiamata nanoSIMS, potrebbero dimostrare che la rizobia scambia azoto fisso con la diatomea in cambio di carbonio. E ci mette molto impegno: “Per sostenere la crescita della diatomea, il batterio fissa 100 volte più azoto di quello di cui ha bisogno per se stesso”, spiega Wiebke Mohr, uno degli scienziati coinvolti nell’articolo.

Un ruolo cruciale nel sostenere la produttività marina

Successivamente il team è tornato agli oceani per scoprire quanto diffusa potrebbe essere la nuova simbiosi nell’ambiente. Si è subito scoperto che la partnership appena scoperta si trova in tutti gli oceani del mondo, specialmente nelle regioni in cui i fissatori di azoto cianobatterici sono rari. Pertanto, questi minuscoli organismi sono probabilmente i principali attori nella fissazione totale dell’azoto oceanico e quindi svolgono un ruolo cruciale nel sostenere la produttività marina e l’assorbimento oceanico globale di anidride carbonica.

Un candidato chiave per l’ingegneria agricola?

A parte la sua importanza per la fissazione dell’azoto negli oceani, la scoperta della simbiosi suggerisce altre interessanti opportunità per il futuro. Kuypers è particolarmente entusiasta di cosa significhi la scoperta da una prospettiva evolutiva. “Gli adattamenti evolutivi di Circa. T. diatomicola sono molto simili al cianobatterio endosimbiotico UCYN-A, che funziona come organello di fissazione dell’azoto in fase iniziale. Pertanto, è davvero allettante ipotizzarlo Circa. Anche T. diatomicola e il suo ospite di diatomee potrebbero essere nelle fasi iniziali per diventare un singolo organismo.”

Tschitschko concorda sul fatto che l’identità e la natura simile ad organelli del simbionte siano particolarmente intriganti: “Finora è stato dimostrato che tali organelli provengono solo dai cianobatteri, ma le implicazioni di trovarli tra i Rhizobiales sono molto eccitanti, considerando che questi batteri sono incredibilmente importante per l’agricoltura. Le piccole dimensioni e la natura simile ad un organello dei Rhizobiales marini significano che un giorno potrebbe essere un candidato chiave per progettare piante che fissano l’azoto”.

Gli scienziati continueranno ora a studiare la simbiosi appena scoperta e vedranno se ne esistono altre simili anche negli oceani.