English
Azot jest jednym z podstawowych pierwiastków biogennych odpowiedzialnych za eutrofizację wód powierzchniowych. Wchodzi w skład wielu związków i ma stosunkowo złożony cykl obiegu w przyrodzie. Analizy dotyczące żyzności i eutrofizacji wód skupiają się głównie na azocie związanym w jonach azotanowych i amonowych. Pozostałe związki tego pierwiastka – azotyny, aminy i im podobne – brane są pod uwagę rzadziej, głównie jako składowe tzw. azotu mineralnego i organicznego. Analiza gazowych form tego pierwiastka – tlenków i azotu cząsteczkowego, nazywanego atmosferycznym – pojawia się w pracach dotyczących jego krążenia.
Tlenki azotu są zanieczyszczeniem powietrza odpowiedzialnym za kwaśne deszcze i znacząco wpływają na jakość wód. Azot cząsteczkowy natomiast jest wspominany głównie jako produkt denitryfikacji w biologicznych oczyszczalniach ścieków. Tworzy on dwuatomowe cząsteczki, które ulatują w powietrze, skąd może zostać ponownie związany i trafić do wód i zamknąć cykl azotowy. Proces ten często przebiega na drodze diazotrofii.
Diazotrofia, czyli dywersyfikacja portfela azotowego
Wiązanie azotu cząsteczkowego to proces wymagający energii. W naturze dostarczają jej pioruny czy burze magnetyczne. W skali atmosfery występuje on na tyle rzadko, że nie wpływa na nią znacząco. Dlatego też, mimo że azot cząsteczkowy w formie gazu rozpuszczonego w wodzie może być , szczególnie w bardziej napowietrzonych warstwach, najczęściej spotykaną postacią tego pierwiastka, nie jest brany pod uwagę jako substancja biogenna. Ta forma azotu jest dla większości organizmów nieprzyswajalna ze względu na koszty energetyczne rozbicia dwuatomowej cząsteczki.
Wyłapują one zatem azot w postaci jonów azotanowych, rzadziej amonowych (rośliny) albo azotowych związków organicznych (grzyby, zwierzęta). Niektóre mikroorganizmy łączą obie strategie, dzięki czemu mogą korzystać z tego źródła azotu, które w danym momencie jest najprostsze do pozyskania, a w razie jego wyczerpania – przestawić się na inne. Do tej grupy należy chociażby haptofit Prymnesium parvum.
Enzymy takie jak nitrogenaza pozwalają obniżyć koszty procesu przyswajania, ale dla większości organizmów nadal są one duże – rozbicie jednej cząsteczki zużywa szesnaście cząsteczek ATP, uniwersalnej waluty energetycznej świata żywego. Dlatego umiejętność ta, nazywana diazotrofią, jest bardzo rzadka, ograniczona do świata bakterii i archeonów. Organizmy te jednak wchodzą często w układy symbiotyczne z roślinami, które zapewniają bakteriom schronienie i dostarczają substancje pokarmowe, a w zamian pobierają przyswajalne formy azotu.
W rolnictwie ma to duże znaczenie przy uprawie roślin bobowatych (motylkowych), które są dzięki temu bogatym źródłem białka dla ludzi i zwierząt gospodarskich. Jest to przykład podręcznikowy. Są też przypadki mniej znane, ale bardziej istotne z wodnej perspektywy, kiedy bakterie diazotroficzne należą do sinic. Trichormus azollae (w literaturze występujący często pod nazwą Anabaena azollae) jest diazotroficznym symbiontem wodnej paproci azolli, która na polach ryżowych jest zielonym nawozem, takim jak na gruntach ornych łubin czy seradela. Z kolei sinice z rodzaju Nostoc współżyją z sagowcami. One jednak przekazują roślinie nie tylko azot, ale też toksyny, co może być przyczyną chorób neurodegeneracyjnych u osób odżywiających się mąką sagowca.
Symbioza jednokomórkowców, czyli diazotroficzne sinice wspierają fitoplankton
Powyższe przykłady dotyczą symbiozy bakterii i wielokomórkowych roślin. Tymczasem możliwa jest symbioza pozostająca w świecie jednokomórkowców. W latach 90. ubiegłego wieku zespół, w skład którego wchodził Jonathan P. Zehr, odkrył w próbach bakterioplanktonu różne okazy posiadające geny nitrogenazy. Należały one do różnych grup bakterii, a także sinic. Niektóre były związane z okrzemkami czy zwierzętami planktonowymi, takimi jak widłonogi. Badacze uznali, że w tym ostatnim przypadku bakterie diazotroficzne zasiedlają powłoki ciała zwierząt (zewnętrzne lub wewnętrzne, czyli jelito), ale dokładna relacja nie została wyjaśniona [1].
Dekadę później było już wiadomo, że w oceanie całkiem licznie występują diazotroficzne sinice. Początkowo najbardziej rozpowszechnionym ich rodzajem wydawało się Trichodesmium. Jednak kolejne prace prowadzone pod kierunkiem Zehra wykazały, że równie częste są dwie grupy jednokomórkowych (tzn. niekolonijnych) sinic diazotroficznych, które zaczęto roboczo nazywać akronimami UCYN-A i UCYN-B. Tę drugą rozpoznano jako gatunek Crocosphaera watsonii, ale UCYN-A pozostała bliżej niezidentyfikowana. Jednym z powodów było niepowodzenie w próbach jej hodowli.
Okazało się bowiem, że aparat fotosyntetyczny tych organizmów jest uwsteczniony, zatem muszą być one cudzożywne. Poza tym jest bardzo mała, nawet jak na sinicę. Jedną ze sprzecznych z intuicją obserwacji było to, że UCYN-A występuje w wodach bogatych w azotany, gdzie jej zdolności diazotroficzne nie są krytyczne dla przetrwania. Sama też nie jest w stanie asymilować tej formy azotu [2]. Dało to podstawy do przypuszczenia, że musi ona współżyć symbiotycznie z innym organizmem, który wykorzystuje też azotany, a więc przedstawicielem fitoplanktonu.
Dalsze analizy metagenomu wskazały, że partnerem tym mogą być dwa gatunki haptofitów: Chrysochromulina parkeae (przypominająca Prymnesium parvum) oraz Braarudosphaera bigelowii. Na tej podstawie naukowcy stwierdzili, że stan rozpoznania UCYN-A uzasadnia propozycję uznania jej za gatunek z własną nazwą – Atelocyanobacterium thalassa. Ponieważ jednak autorzy nie podali wymaganego opisu diagnostycznego, nazwa ta nadal ma status kandydata [3].
Nitroplast, czyli od symbiontu do organellum
Zehr początkowo przypuszczał, że UCYN-A żyje na zewnątrz komórki swojego gospodarza – haptofita Braarudosphaera bigelowii. Jednak wkrótce okazało się, że jest ona endosymbiontem. Endosymbioza to układ, w którym komórka symbionta żyje wewnątrz komórki gospodarza. Nie jest on rzadkością i przybiera różne formy. Często jednokomórkowe glony żyją w komórkach stułbi czy koralowców i nazywane są, w zależności od barwy, zoochlorellami lub zooksantellami. W warunkach stresu gospodarz może się ich pozbyć, co jest mechanizmem odpowiedzialnym za blaknięcie koralowców.
Z czasem z biegiem ewolucji współpraca staje się coraz ściślejsza. Z reguły endosymbiont traci kolejne geny i coraz bardziej się upraszcza. W efekcie UCYN-A nie potrafi już sama przyswajać związków węgla i musi je pozyskiwać od haptofita. To wyjaśnia, czemu nie dało się jej hodować osobno. W pewnym momencie nie można już mówić o dwóch organizmach w symbiozie, tylko o komórce i jej organellach. Tak powstały mitochondria i chloroplasty. Niektóre układy endosymbiotyczne potrafią być tak skomplikowane, że w komórce można wyodrębnić aż siedem genomów.
Zehr, opisując w 2015 r. uproszczenie budowy UCYN-A i jej ścisły związek metaboliczny z gospodarzem, zasugerował, że w zasadzie można tu mówić o tworzeniu się organellum komórkowego, które przez analogię do chloroplastu nazwał nitroplastem [4]. Kolejna dekada badań potwierdziła tę teorię – wiosną 2024 r. ukazały się dwie publikacje [5, 6], które wskazują na synchronizację rozwoju niezbędną do podziału komórki i współzależności metaboliczne, oraz trzecia – ich podsumowanie [7]. Haptofit i sinica przekazują sobie w obie strony nie tylko proste związki, ale także białka, a to już ważna przesłanka za uznaniem ich za jeden organizm. Tym samym nazwa nitroplast już nie jest hipotetyczna.
Odkrycie nowego organellum wymagało ćwierć wieku badań. Nadal nie wszystkie aspekty tej symbiozy są znane. Przy okazji przekonano się, że diazotrofia jest częściej spotykana niż przypuszczano. Skamieniałości haptofita, u której go odkryto, znane są z pokładów kredy sprzed 100 mln lat. Choć nie ma pewności, jak wtedy wyglądały jego układy symbiotyczne, pozwala to przypuszczać, że rola ta może być całkiem znacząca.
Zdj. główne: Copernicus
W artykule korzystałem m.in. z prac:
[1]. Zehr J. P., Mellon M. T., Zani S., 1998. New Nitrogen-Fixing Microorganisms Detected in Oligotrophic Oceans by Amplification of Nitrogenase (nifH) Genes. Appl Environ Microbiol 64: https://doi.org/10.1128/AEM.64.9.3444-3450.1998
[2]. Moisander P. H. Beinart R. A., Hewson I., et al., 2010. Unicellular Cyanobacterial Distributions Broaden the Oceanic N2 Fixation Domain. Science 327,1512-1514. DOI: 10.1126/science.1185468
[3] Thompson A. W., Foster R. A., Krupke A., et al. 2012. Unicellular Cyanobacterium Symbiotic with a Single-Celled Eukaryotic Alga. Science 337,1546-1550. DOI: 10.1126/science.1222700
[4] Zehr J. P., 2015. How single cells work together. Science 349,1163-1164. DOI: 10.1126/science.aac9752
[5, Massana R., 2024. The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle. Science 384,160-161. DOI: 10.1126/science.ado8571
[6], Coale T. H., Loconte V., Turk-Kubo K. A., et al. 2024. Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. Science 384,217-222. DOI: 10.1126/science.adk1075
[7] Cornejo-Castillo F. M., Inomura K., Zehr J. P., Follows M. J., 2024. Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis. Cell 187, 1762–1768 doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016
