Несподіване відкриття може змінити глобальний цикл вуглецю

Океанічні діатомові водорості, такі як Cylindrotheca closterium, нарощують біомасу як шляхом фотосинтезу, так і шляхом споживання органічного вуглецю — це відкриття може змінити наше уявлення про глобальний вуглецевий цикл.

Нещодавні дослідження показують, що діатомові водорості, які мешкають в океані, мають більше одного способу накопичення вуглецю. Окрім фотосинтезу, цей одноклітинний планктон також збільшує свою біомасу, споживаючи органічний вуглець безпосередньо з океану. Це відкриття може спонукати вчених переглянути свої оцінки кількості вуглекислого газу, який діатомові водорості поглинають з атмосфери за допомогою фотосинтезу. Отже, це може змінити наше розуміння глобального вуглецевого циклу, що особливо важливо в контексті зміни клімату.

Дослідження очолюють біоінженери, фахівці з біоінформатики та інші дослідники геноміки з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. Нові результати опубліковані в журналі Science Advances 17 липня 2024 року.

Команда показала, що діатомова водорость Cylindrotheca closterium, яка зустрічається в океанах по всьому світу, регулярно здійснює одночасне поєднання як фотосинтезу, так і прямого поглинання вуглецю з органічних джерел, таких як планктон. У понад 70% зразків води, які дослідники проаналізували з океанів по всьому світу, вони виявили ознаки одночасного фотосинтезу та прямого споживання органічного вуглецю з Cylindrotheca closterium.

Команда також показала, що цей вид діатомових водоростей може рости набагато швидше, коли споживає органічний вуглець на додаток до фотосинтезу.

Щобільше, нове дослідження натякає на привабливу можливість того, що певні види бактерій постачають органічний вуглець безпосередньо великому відсотку цих діатомових водоростей, що мешкають по всьому світовому океану.

Ця робота ґрунтується на підході метаболічного моделювання на рівні геному, який команда використала для розгадки метаболізму діатомової водорості Cylindrotheca closterium. Дослідники обмежили свою метаболічну модель на рівні геному глобальними даними про експресію генів, отриманими під час океанської експедиції TARA. Дослідники вважають, що це перший випадок, коли моделі геномного масштабу були використані в глобальному масштабі.

Нові дані метаболічного моделювання підтверджують нещодавні лабораторні експерименти, які свідчать про те, що деякі діатомові водорості можуть покладатися на інші стратегії, окрім фотосинтезу, для поглинання вуглецю, необхідного їм для виживання, процвітання та нарощування біомаси. Команда під керівництвом Каліфорнійського університету в Сан-Дієго розширює рамки проекту, щоб визначити, наскільки поширена ця нефотосинтетична активність серед інших видів діатомових водоростей.

Чи живлять діатомові водорості океанські бактерії?

Коли команда дослідників проаналізувала фізичні та хімічні параметри, виміряні у зразках океанської води, включаючи температуру, рН, солоність, освітлення, наявність азоту та вуглецю, вони не виявили жодної кореляції між цими параметрами та тенденцією діатомових водоростей до відходу від стратегій, орієнтованих виключно на фотосинтез.

Однак команда виявила чіткий сигнал, досліджуючи специфічні бактеріальні популяції, що співіснують з діатомовою водоростю Cylindrotheca closterium у зразках океанічної води. Це свідчить про взаємодію між бактеріями та діатомеєю, яка призводить до одночасного поєднання фотосинтезу та прямого споживання органічного вуглецю — явище, відоме як «міксотрофія».

Команда вважає, що певні бактерії можуть живити діатомові водорості безпосередньо, допомагаючи їм бути одними з найуспішніших і найважливіших мікробів на планеті з точки зору виробництва кисню, поглинання вуглецю і як основа харчових мереж, що підтримують майже все життя в океані.

«Діатомові водорості є основними учасниками морських харчових ланцюгів і ключовими рушіями глобального вуглецевого циклу. Раніше ми оцінювали всі моделі кругообігу вуглецю, виходячи з припущення, що єдиною роллю діатомових водоростей є фіксація вуглекислого газу. Наші результати демонструють, що це не так, і що діатомові водорості одночасно поглинають і органічний вуглець. Іншими словами, ми показали, що діатомові водорості не покладаються виключно на фіксацію вуглекислого газу для свого росту і виробництва біомаси. Ми вважаємо, що ці результати матимуть важливі наслідки для нашого розуміння глобального кругообігу вуглецю», — сказав професор Університету Сан-Дієго Карстен Зенглер, професор кафедр педіатрії та біоінженерії та дослідник Центру інновацій мікробіому в Інженерній школі Джейкобса.

«Хоча в лабораторії були цікаві спостереження щодо діатомових водоростей, які відхиляються від фотосинтезу, до цього часу було неможливо перевірити, який метаболізм ці діатомові водорості здійснюють в океані — до цього часу. Це пов’язано з тим, що в цьому процесі задіяно дуже багато генів, і дуже важко визначити, який саме процес є активним, лише на основі даних про експресію генів. Наш підхід вирішує цю проблему».

Дослідницька група сподівається, що ця робота стимулюватиме інтерес до більш уважного погляду на наше розуміння глобального вуглецевого циклу, беручи до уваги це нове більш широке розуміння того, як океанські діатомові водорості отримують свій вуглець. Інше питання для подальших досліджень — що бактерії, що живлять діатомові водорості, можуть отримати від зв’язку.