Stikstof is een essentieel onderdeel van alle levende organismen. Het is ook het belangrijkste element dat de groei van gewassen op het land controleert, evenals van de microscopisch kleine oceanische planten die de helft van de zuurstof op onze planeet produceren. Atmosferisch stikstofgas is veruit de grootste hoeveelheid stikstof, maar planten kunnen dit niet omzetten in een bruikbare vorm.

In plaats daarvan hebben landbouwgewassen zoals sojabonen, erwten en alfalfa (gezamenlijk bekend als peulvruchten) rhizobiale bacteriële partners gekregen die atmosferische stikstof in ammonium "fixeren". Dankzij dit partnerschap zijn peulvruchten een van de belangrijkste bronnen van eiwitten in de voedselproductie.

Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie in Bremen, Duitsland, rapporteren nu in Nature , dat rhizobia ook soortgelijke partnerschappen kan vormen met kleine zeeplanten die diatomeeën worden genoemd – een ontdekking die een al lang bestaand marien mysterie oplost en die potentieel verstrekkende landbouwtoepassingen heeft.

Een raadselachtige mariene stikstofbinder die zich verbergt in een diatomeeën

Jarenlang werd aangenomen dat de meeste stikstoffixatie in de oceanen werd uitgevoerd door fotosynthetische organismen die cyanobacteriën worden genoemd. In grote delen van de oceaan zijn er echter niet genoeg cyanobacteriën om de gemeten stikstoffixatie te verklaren. Zo ontstond er een controverse, waarbij veel wetenschappers de hypothese opperden dat niet-cyanobacteriële micro-organismen verantwoordelijk moeten zijn voor de ‘ontbrekende’ stikstoffixatie.

“Jarenlang hebben we genfragmenten gevonden die coderen voor het stikstoffixerende stikstofase-enzym, dat leek te behoren tot een bepaalde niet-cyanobacteriële stikstoffixer”, zegt Marcel Kuypers, hoofdauteur van het onderzoek. "Maar we konden er niet precies achter komen wie het enigmatische organisme was en hadden daarom geen idee of het belangrijk was voor de stikstoffixatie."

In 2020 reisden de wetenschappers van Bremen naar de tropische Noord-Atlantische Oceaan om deel te nemen aan een expeditie met twee Duitse onderzoeksschepen. Ze verzamelden honderden liters zeewater uit de regio, waar een groot deel van de mondiale mariene stikstoffixatie plaatsvindt, in de hoop het belang van de mysterieuze stikstoffixer zowel te identificeren als te kwantificeren. Het kostte hen de volgende drie jaar om eindelijk het genoom in elkaar te puzzelen.

"Het was een lang en nauwgezet detectivewerk", zegt Bernhard Tschitschko, eerste auteur van de studie en expert in bio-informatica, "maar uiteindelijk heeft het genoom veel mysteries opgelost."

De eerste was de identiteit van het organisme:"Hoewel we wisten dat het stikstofase-gen afkomstig was van een Vibrio-gerelateerde bacterie, was het organisme zelf onverwacht nauw verwant aan de rhizobia die in symbiose leven met peulvruchten", legt Tschitschko uit. Samen met zijn verrassend kleine genoom leidde dit tot de mogelijkheid dat de mariene rhizobia een symbiont zou kunnen zijn.

De eerste bekende symbiose van deze soort

Aangespoord door deze ontdekkingen ontwikkelden de auteurs een genetische sonde die gebruikt kon worden om de rhizobia fluorescent te labelen. Toen ze het eenmaal hadden toegepast op de originele zeewatermonsters die in de Noord-Atlantische Oceaan waren verzameld, werden hun vermoedens dat het een symbiont was, snel bevestigd.

"We vonden sets van vier rhizobia, die altijd op dezelfde plek in de diatomeeën zaten", zegt Kuypers. "Het was erg spannend omdat dit de eerste bekende symbiose is tussen een diatomee en een niet-cyanobacteriële stikstofbinder."

De wetenschappers noemden de nieuw ontdekte symbiont Candidatus Tectiglobus diatomicola. Nadat ze eindelijk de identiteit van de ontbrekende stikstofbinder hadden vastgesteld, richtten ze hun aandacht op het uitzoeken hoe de bacteriën en diatomeeën samenleven. Met behulp van een technologie genaamd nanoSIMS kunnen ze aantonen dat de rhizobia vaste stikstof uitwisselt met de diatomeeën in ruil voor koolstof. En er wordt veel moeite in gestoken:"Om de groei van de diatomeeën te ondersteunen, legt de bacterie honderd keer meer stikstof vast dan hij voor zichzelf nodig heeft", legt Wiebke Mohr, een van de wetenschappers in het artikel, uit.

Vervolgens keerde het team terug naar de oceanen om te ontdekken hoe wijdverbreid de nieuwe symbiose in het milieu zou kunnen zijn. Het bleek al snel dat het nieuw ontdekte partnerschap overal ter wereld wordt aangetroffen, vooral in regio's waar cyanobacteriële stikstofbinders zeldzaam zijn. Deze kleine organismen zijn dus waarschijnlijk belangrijke spelers in de totale stikstoffixatie in de oceanen en spelen daarom een ​​cruciale rol bij het in stand houden van de mariene productiviteit en de mondiale oceanische opname van kooldioxide.

Een belangrijke kandidaat voor landbouwtechniek?

Afgezien van het belang ervan voor de stikstoffixatie in de oceanen, duidt de ontdekking van de symbiose op andere opwindende mogelijkheden in de toekomst. Kuypers is vooral enthousiast over wat de ontdekking vanuit evolutionair perspectief betekent.

"De evolutionaire aanpassingen van Ca. T. diatomicola lijken sterk op de endosymbiotische cyanobacterium UCYN-A, die functioneert als een stikstofbindend organel in een vroeg stadium. Daarom is het erg verleidelijk om te speculeren dat Ca. T. diatomicola en zijn diatomeeëngastheer bevindt zich mogelijk ook in de beginfase van het worden van één organisme."

Tschitschko is het ermee eens dat de identiteit en het organelachtige karakter van de symbiont bijzonder intrigerend is:‘Tot nu toe is alleen aangetoond dat dergelijke organellen afkomstig zijn van de cyanobacteriën, maar de implicaties van het vinden ervan onder de rhizobiales zijn zeer opwindend, gezien het feit dat deze bacteriën zijn ongelooflijk belangrijk voor de landbouw. ​​De kleine omvang en organelachtige aard van de mariene rhizobiales betekent dat het op een dag een belangrijke kandidaat zou kunnen zijn om stikstofbindende planten te ontwikkelen."

De wetenschappers gaan nu verder met het bestuderen van de nieuw ontdekte symbiose en kijken of er ook in de oceanen soortgelijke symbiose bestaat.

Meer informatie: Bernhard Tschitschko et al, Rhizobia-diatomeeënsymbiose repareert ontbrekende stikstof in de oceaan, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07495-w

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Max Planck Society