L’azoto è un componente essenziale di tutti gli organismi viventi. È anche l’elemento chiave che controlla la crescita delle colture terrestri, così come delle microscopiche piante oceaniche che producono metà dell’ossigeno sul nostro pianeta. L'azoto atmosferico è di gran lunga la riserva di azoto più grande, ma le piante non possono trasformarlo in una forma utilizzabile.
Invece, piante coltivate come soia, piselli ed erba medica (noti collettivamente come legumi) hanno acquisito partner batterici rizobici che “fissano” l’azoto atmosferico in ammonio. Questa partnership rende i legumi una delle fonti più importanti di proteine nella produzione alimentare.
Gli scienziati dell'Istituto Max Planck per la microbiologia marina di Brema, in Germania, riferiscono ora su Nature , che la rizobia può anche formare associazioni simili con minuscole piante marine chiamate diatomee:una scoperta che risolve un mistero marino di vecchia data e che ha applicazioni agricole potenzialmente di vasta portata.
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 sia di identificare che di quantificare l’importanza del misterioso fissatore di azoto. Ci sono voluti tre anni per ricostruire finalmente 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 la rizobia che vive in simbiosi con i legumi", spiega Tschitschko. Insieme al suo genoma sorprendentemente piccolo, ciò ha sollevato la possibilità che la rizobia marina possa 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 la rizobia. 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 situati nello stesso punto all'interno delle diatomee", afferma Kuypers, "È stato molto emozionante in quanto si tratta della prima simbiosi conosciuta tra una diatomea e un fissatore di azoto non cianobatterico."
Gli scienziati hanno chiamato il simbionte appena scoperto Candidatus 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, hanno potuto dimostrare che la rizobia scambia azoto fisso con la diatomea in cambio di carbonio. E si impegna molto:"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.
Successivamente il team è tornato agli oceani per scoprire quanto diffusa potesse 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 svolgono quindi 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 del Ca. T. diatomicola sono molto simili al cianobatterio endosimbiotico UCYN-A, che funziona come un organello di fissazione dell'azoto nella fase iniziale. Pertanto, è davvero allettante ipotizzare che il Ca. T. diatomicola e la sua diatomea ospite potrebbe anche essere nelle prime fasi 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 rizobiali sono molto eccitanti, considerando che questi batteri sono incredibilmente importanti per l'agricoltura. Le dimensioni ridotte e la natura simile ad un organello dei rizobiali marini significano che un giorno potrebbero essere un candidato chiave per progettare piante che fissano l'azoto."
Gli scienziati ora continueranno a studiare la simbiosi appena scoperta e vedranno se ne esistono altre simili anche negli oceani.
Ulteriori informazioni: Bernhard Tschitschko et al, La simbiosi rizobia-diatomea corregge l'azoto mancante nell'oceano, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07495-w
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Max Planck Society
