Un treball liderat per investigadors de l'Institut de Ciències del Mar caracteritza l'estreta relació de simbiosi existent entre dos organismes marins microscòpics. En aquesta relació, cèl·lules del grup dels cianobacteris viuen en simbiosi dins d’algues unicel·lulars, de major grandària, i totes dues intercanvien nutrients entre si. Segons els resultats de l'estudi, aquesta relació es manté des de fa més de 90 milions d'anys i juga un paper clau en el cicle de nitrogen en els oceans.
Un treball liderat per investigadors de l'Institut de Ciències del Mar caracteritza l'estreta relació de simbiosi existent entre dos organismes marins microscòpics. En aquesta relació, cèl·lules del grup dels cianobacteris viuen en simbiosi dins d’algues unicel·lulars, de major grandària, i totes dues intercanvien nutrients entre si. Segons els resultats de l'estudi, aquesta relació es manté des de fa més de 90 milions d'anys i juga un paper clau en el cicle de nitrogen en els oceans. El treball parteix de dades obtingudes en l'expedició Tara Oceans i ha estat publicat a la revista Nature Communications.
La recerca aprofundeix en aquest sistema simbiòtic compost per la cianobacteri UCYN-A i una alga unicel·lular del grup de les primnesiofíceas. En aquesta relació de conveniència, el cianobacteri aporta nitrogen al seu hoste, l'alga, mentre que aquesta realitza la fotosíntesi i produeix matèria orgànica a partir del carboni de la qual es pot beneficiar el simbiont.
L'estudi també té implicacions en biologia evolutiva ja que les cèl·lules hostes haurien pogut actuar com a barrera física que impedís l'intercanvi genètic dels cianobacteris simbionts i això podria haver dibuixat la seva especiació. "El caràcter obligat d'aquesta simbiosi juntament amb la reducció del genoma sofert per UCYN-A i l'expressió dels seus gens, centrada principalment en la fixació de nitrogen, fa pensar que estem davant d'un procés evolutiu similar al que va donar lloc als cloroplasts en les plantes, és a dir, a la formació d'un orgànul d'origen bacterià amb la funció d’aportar nitrogen al seu hoste", explica el primer autor d'aquesta investigació, Francisco M. Cornejo, del Grup d'Ecologia i Genòmica dels Microorganismes Marins de l'ICM .
El nitrogen és el gas més abundant de la nostra atmosfera i la funció tant de incorporar-lo com de posar-lo a disposició a la resta de la xarxa tròfica recau només i exclusivament en alguns microorganismes procariotes com els cianobacteris, entre d'altres. Tal com passa en sistemes terrestres ben caracteritzats com el de les lleguminoses, per exemple, la relació simbiòtica amb els microorganismes capaços de fixar nitrogen atmosfèric proporciona un avantatge adaptatiu a tots dos. Aquesta premissa no perd validesa en ambients marins, on el nitrogen, component essencial dels aminoàcids que formen les proteïnes i dels àcids nucleics com l'ADN, és un dels nutrients més limitants en la producció primària oceànica.
Noves espècies
El treball aporta imatges de microscòpia de fluorescència que demostren quant d’específica és aquesta simbiosi. De fet, els investigadors han identificat dos llinatges d'aquest conjunt simbiont-hoste, entre els quals les espècies són lleugerament diferents. L'estudi suggereix, per tant, que la simbiosi ha afavorit el procés d'especiació a partir d'un ancestre comú als dos hostes descrits, així com d'un altre avantpassat també comú als dos simbionts. A més, revela la fidelitat de les dues simbiosis, que poden habitar en un mateix ambients. "La dificultat de caracteritzar microscòpicament aquest tipus de simbiosi s'accentua quan s’empren microorganismes que no podem cultivar. És com buscar una agulla en un paller", comenta una de les coautores de la feina, Ana María Cabello, també de l'ICM.
Els dos llinatges de UCYN-A es van separar fa uns 90 milions d'anys, just després d'un context paleoceanogràfic en el qual es va donar el règim de nutrients més baix dels últims 500 milions d'anys. "Una etapa d'escassos nutrients a l'oceà podria haver propiciat l'establiment de la relació simbiòtica entre l'alga i el cianobacteri" ens explica una de les col·laboradores de l'estudi, Patricia Sánchez-Baracaldo, de la Universitat de Bristol, al Regne Unit.
"Es tracta d'un sistema simbiòtic molt rellevant en ambients marins degut a que estan globalment distribuïts i, per tant, poden condicionar el cicle del nitrogen i del carboni marins", revela Silvia G. Acinas, investigadora de l'ICM, líder de l'estudi i coordinadora del consorci de procariotes de Tara Oceans, d'on parteixen les dades de l'estudi. "A dia d'avui disposem d'una enorme quantitat de dades, impensables fa pocs anys, i és fonamental comptar amb recursos bioinformàtics i, sobretot, amb personal humà per poder explorar-les i analitzar-les. Les històries són allà; només necessitem algú que les descobreixi", conclou la investigadora.
En aquest treball també han participat investigadors de diversos grups internacionals entre els quals es troben els següents: University of Bristol (Regne Unit), VIB/VUB/KU Leuven (Bèlgica), Aix-Marseille Université (França), Centre National de la Recherche Scientifique-CNRS (França), Genoscope (França), European Molecular Biology Laboratory-EMBL (Alemanya) i University of California (Estats Units).
Article de referència
Francisco M. Cornejo-Castillo, Ana M. Cabello, Guillem Salazar, Patricia Sánchez-Baracaldo, Gipsi Lima-Mendez, Pascal Hingamp, Adriana Alberti, Shinichi Sunagawa, Peer Bork, Colomban de Vargas, Jeroen Raes, Chris Bowler, Patrick Wincker, Jonathan P. Zehr, Josep M. Gasol, Ramon Massana y Silvia G. Acinas. "Cyanobacterial symbionts diverged in the late Cretaceous towards lineage-specific nitrogen fixation factories in single-celled phytoplankton". Nature Communications 7:11071 doi: 10.1038/ncomms11071 (2016).