(A) Illustrazione che mostra la configurazione sperimentale. I nutrienti esogeni sono stati aggiunti a un sistema di cocoltura mutualistico batterico eterotrofico Synechococcus esistente e la crescita di Synechococcus è stata monitorata per 450 giorni. La scala temporale sotto le boccette di coltura illustra l'inizio e la fine di ciascuna fase con il corrispondente cambiamento di colore osservato (visivamente). (B) Cambiamento di colore visivo in tempo reale all'interno del sistema di cocoltura e nell'axenico Synechococcus sp. Cultura PCC7002. Credito:Shailesh Nair
Un fitoplancton vecchio quasi quanto la Terra - circa 3 miliardi di anni rispetto ai 4,5 miliardi di anni del pianeta - custodisce ancora segreti, incluso come può sopravvivere alla fame negli oceani più carenti di nutrienti. Synechococcus è la più diversificata geograficamente delle tre specie di fitoplancton, che contribuisce a un quarto della produzione primaria degli oceani e compare sia nelle fredde acque polari che nei caldi mari tropicali.
Ora, i ricercatori del Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT), Chinese Academy of Sciences (CAS), potrebbero aver scoperto chi ringraziare per l'esistenza persistente del fitoplancton:i batteri eterotrofi.
In una serie di esperimenti pluriennali, il team ha scoperto che Synechococcus e i batteri che se ne nutrono possono avere una tendenza intrinseca al mutualismo e subiranno cambiamenti significativi per incoraggiare la sopravvivenza reciproca. L'alga marina Synechococcus e la sua comunità batterica eterotrofica associata hanno una relazione inseparabilmente stretta.
I loro risultati sono stati pubblicati il 30 settembre su Science Advances .
Studi precedenti includono uno in cui il fitoplancton e la sua comunità batterica hanno prosperato per più di due anni senza alcun supporto nutritivo esterno. Secondo il Prof. Zhang Yongyu del QIBEBT, questi risultati suggeriscono interazioni microbiche che possono sostenere la crescita del Sinechococcus a lungo termine, ma solo in circostanze sperimentali controllate e coerenti.
Tuttavia, a differenza dei sistemi di coltura di laboratorio, l'oceano non è statico e subisce cambiamenti nei fattori ambientali, compresi i nutrienti. "Questo studio è stato condotto per capire come i cambiamenti nei fattori ambientali, come la disponibilità di nutrienti esterni, influenzeranno la relazione mutualistica tra il Synechococcus e la comunità batterica eterotrofica", ha affermato l'autore corrispondente, il Prof. Zhang.
Imitando il cambiamento nell'ambiente marino, i ricercatori hanno fornito nutrienti inorganici sterili alla cocoltura mutualistica consolidata di Synechococcus e a una comunità batterica diversificata dal loro studio precedente. La relazione stabile e reciprocamente vantaggiosa di due anni si è incrinata ma non si è interrotta.
"I nostri risultati suggeriscono che la disponibilità di fonti di nutrienti esterne interrompe il mutualismo stabilito, portando al collasso della salute del Sinechococcus", ha affermato il co-primo autore Shailesh Nair, studioso post-dottorato presso QIBEBT. "Tuttavia, una volta esauriti i nutrienti esterni, nei successivi 450 giorni, Synechococcus e batteri eterotrofi hanno gradualmente ristabilito il loro mutualismo metabolico in una coesistenza a lungo termine che ha rianimato la salute di Synechococcus".
Attraverso l'analisi genetica e il tracciamento dell'azoto nel sistema, i ricercatori hanno determinato che i batteri facilitavano la fissazione dell'azoto, convertendo l'azoto per l'uso nella boa del fitoplancton, che ha innescato il mutualismo ristabilito.
"Durante il processo, la struttura e le funzioni della comunità batterica hanno subito enormi modifiche per ottenere l'effetto guida e la cogenerazione dei batteri di azoto, fosforo, ferro e vitamina B12 ha sostenuto la crescita sana e prolungata di Synechococcus", ha affermato il co-primo autore Zhang Zenghu, professore associato presso QIBEBT.
Questi risultati suggeriscono che Synechococcus e batteri eterotrofi possono avere una tendenza intrinseca al mutualismo, che può essere ristabilito dopo l'interferenza ambientale. Questo tratto naturale e ricorrente di Synechococcus e batteri eterotrofi può mostrare i loro adattamenti co-evolutivi in ambienti carenti di nutrienti per la sopravvivenza.
Sebbene i ricercatori abbiano affermato di ritenere che questo studio abbia risposto alla domanda di lunga data sulla tenacia del Synechococcus, ora hanno molte altre domande a cui intendono rispondere.
"Questa relazione mutualistica intrinseca si applica anche ad altre alghe?" chiese Zhang Yongyu. "Possiamo aumentare la crescita delle alghe costruendo artificialmente comunità microbiche amiche delle alghe? La potenziale regolazione delle interazioni alghe-batteri può offrire un nuovo modo per aumentare il sequestro del carbonio marino guidato dalle alghe". + Esplora ulteriormente
