Com a norma general, el nitrogen atmosfèric en forma diatòmica (N2), que és el component majoritari (78%) de l’atmosfera terrestre, no és aprofitable per les plantes superiors. La primera excepció que se’ns ve el cap són les lleguminoses, amb nodes a les arrels on habiten simbionts fixadors de N2 del gènere Rhizobium. Una altra excepció són pteridòfits com Azolla, que s’associen amb cianobacteris fixadors de N2 com Anabaena. Encara n’hi ha d’altres exemples de plantes terrestres amb simbionts fixadors de N2. Wiebke Mohr, investigadora del Grup de Biogeoquímica de l’Institut Max Planck de Microbiologia Marina, de Bremen, és la primera autora d’un article a Nature en el qual descriuen un simbiont fixador de nitrogen, ‘Celerinatantimona neptuna’, que viu a l’interior del teixit radical de Posidonia oceanica. La posidònia és una planta marina, membre d’un llinatge d’angiospermes que fa 100 milions d’anys deixà la terra ferma per colonitzar fons marins. Ací es troba la notícia, car és la primera vegada que es descriu una associació d’aquesta natura en una herba marina. C. neptuna rep de la posidònia sucres, i la posidònia rep d’aquest simbiont nitrogen en forma d’amoni i aminoàcids. Aquesta simbiosi ajuda als prats de posidònia a mantindre una elevada de producció en una Mar Mediterrània on el nitrogen és habitualment l’element limitant. La descripció que fan Mohr et al. de C. neptuna és temptativa, però organismes filogenèticament propers són presents en ecosistemes litorals, on potser serien simbionts d’altres herbes marines i halòfiles. Mohr et al. pensen que aquesta associació pot facilitar la colonització d’hàbitats marins i litorals pobres en nitrogen.
Prats de posidònia en sediments sorrencs de la Badia Fetovaia, a l’illa d’Elba (a), mostren fluxos aeris nets d’oxigen que contrasten amb els entorns sense prat (b). En aquests prats és possible detectar la fixació de nitrogen en un sistema d’incubació (c). La fixació de nitrogen la realitza un simbiont en les arrels (e) des d’on es transfereix a les fulles (d).
Els prats marins
Wiebke Mohr, Nadine Lehnen i Marcel M M Kuypers del Max-Planck-Institut de Microbiologia Marina, de Bremen, realitzaren els experiments de fixació de N2. Mohr i Lehnen analitzaren les dades de fixació de N2. Lehnen dugué a terme els treballs histològics sobre les arrels de posidònia, així com les extraccions pertinents d’àcids nucleics i d’aminoàcids. Soeren Ahmerkamp (MPI de Bremen) realitzà les mesures de conductivitat elèctrica, i analitzà i processa les imatges microscòpiques i d’espectrometria de masses (nanoSIMS). Lehnen, Jon S. Graf (MPI Bremen) i Bernhard Tschitschko (MPI Bremen) analitzaren les dades de seqüenciació dels amplicons, els metagenomes i metratranscriptomes, i les comparacions genòmiques. Sten Littmann (MPI Bremen) realitzà mesures de nanoSIMS. Pelin Yilmaz (llavors del MPI Bremen i, ara, del Grup de Recerca de Ciència de Dades de l’Institut de Intel·ligència Artificial en Medicina de l’Hospital Universitari d’Essen) i Harald Gruber-Vodicka (MPI Bremen) realitzaren les anàlisi bioinformàtiques inicials. Carsten J. Schubert (de l’Institut Federal Suís de Ciència i Tecnologia Aquàtiques) aportà dades d’aminoàcids. Miriam Weber i Christian Lott (d’HYDRA Marine Sciences GmbH, de Bühl) realitzaren el mostreig i treball de camp. Nikolaus Leisch (MPI Bremen) realitzà la microscòpia electrònica de transmissió i escaneig i ajudà Lehnen amb el treball d’inclusió, tall i hibridació in situ (FISH). El projecte fou concebut pel professor Kuypers, i l’estudi fou dissenyat per Mohr, Lehnen, Jana Milucka (MPI Bremen) i el propi Kuypers.
Els autors tenen paraules d’agraïment per l’equip d’HYDRA, pel personal del Parc Nacional de l’Arxipèlag Toscà (que gestionà el permís d’accés a les aigües protegides de l’illa de Pianosa) i per una sèrie d’investigadors i tècnics. La recerca fou finançada per la Societat Max Planck.
El primer esborrany de l’article fou redactat per Lehnen, Milucka i Kuypers, amb contribucions de la resta d’autors. L’article fou tramès a Nature el 29 de març del 2021. Després d’un procés de revisió (amb Douglas Capone, Susannah Tringe i d’altres), fou acceptat el 22 de setembre, i publicat el 3 de novembre. Gràcies al finançament de la Societat Max Planck, l’article ha estat publicat en obert.
Els herbassars submarins s’estenen per ambients litorals de tot el planeta. Aquests prats ofereixen importants serveis ecosistèmics: hàbitat i lloc de cria per a nombroses de peixos, protecció de l’erosió, segrest de CO2, etc. Aquests serveis ecosistèmics són possibles per una elevada producció de biomassa, que els acosta més a les lògiques d’ecosistemes terrestres que no pas a les d’ecosistemes marins. Quina és la font de nitrogen dels prats de posidònia i d’altres herbes marines? Hom pensaria, atenent al caràcter oligotròfic i limitant de nitrogen de l’entorn litoral, que les herbes marines aconsegueixen ni que sigui part del nitrogen a través de microorganismes metabòlicament capaços de fixar dinitrogen (N2). Aquests fixadors de nitrogen es trobarien més o menys associats amb la rizosfera o rizoplànol de l’herba marina, o potser serien simbionts d’animals dels fons marins. Aquesta associació “a distància” és present en ecosistemes terrestres, per bé que hi ha plantes terrestres que formen simbiosi amb aquests organismes fixadors de nitrogen. La simbiosi implica que els microorganismes fixadors de nitrogen resideixin en teixits de la planta, i que en resulti una interacció complexa en termes genètics, metabòlics i reguladors. Hi ha una simbiosi anàloga en herbes marines? Mohr et al. ens diuen que sí.
Concretament, Mohr et al. reporten la descoberta d’un bacteri fixador de nitrogen que viu dins del teixit d’arrels de Posidonia oceanica: aquesta relació simbiòtica ens recorda la que s’estableix entre rizobis i lleguminoses.
Els prats de posidònia de la Mar Mediterrània són un bon exemple de prat marí altament productiu, amb el mèrit d’ésser-ho en un entorn oligotròfic. En el litoral de Pianosa, a l’arxipèlag toscà o d’Elba, la posidònia forma prats densos, amb 600 peus per metre cúbic. En la campanya d’estiu del 2019, s’hi mesurà una producció primària neta de 50 mmol·m-2·d-1 de CO2 fixat. Aquesta xifra, en sediments sorrencs sense prats, queia a 6 mmol·m-2·d-1: no hi ha pas dubte que els biofilms bèntics algals no són tan productius com els prats de posidònia. Allò remarcable d’aquestes mesures, és que no s’hi detectaven nutrients de nitrogen directament aprofitables per a plantes superiors.
Experiments amb 15N
Amb l’ús de N2 marcat isotòpicament (és a dir, amb l’ús de l’isòtop pesant 15N) és possible detectar la fixació de N2. Els experiments de Mohr et al. mostren que arrels i rizomes de plantes senceres de posidònia presenten una activitat estacional de fixació de N2. Aquesta activitat estacional s’associa principalment a les arrels de posidònia, i es concentra en l’estiu. Al capdavall, és en l’estiu on més necessitat hi ha de nitrogen: és en l’estiu quan la concentració de nitrogen inorgànica en la columna d’aigua és pràcticament indetectable. A la primavera, en canvi, quan hi ha presència de nitrogen inorgànic en la columna d’aigua, les taxes de fixació de N2 en les mostres de posidònia eren o bé baixes o bé nul·les.
El marcatge de 15N no tan sols es detecta en arrels i rizomes, sinó també en les fulles de posidònia. Cal pensar en un mecanisme de transferència relativament ràpid: en 24 hores, el 20% del nitrogen fixat a les arrels ja es troba assimilat en la biomassa foliar. Aquesta xifra convida a pensar que la producció neta de biomassa de posidònia durant l’estiu obtindria el nitrogen fonamentalment de la fixació de N2 per les arrels de la planta. Aquesta fixació de nitrogen no tan sols alimentaria la biomassa de posidònia sinó que també enriquiria de nitrogen inorgànic tot l’entorn.
A la recerca de l’endòfit
Qui és el responsable d’aquesta fixació de nitrogen? Mohr et al. realitzaren una seqüenciació metagenòmica comparada de les arrels de la posidònia i de sediments sense posidònia. Aquesta comparació posava en evidència un microbioma radical especialitzat de la posidònia.
Alhora, també es comparava el microbioma d’arrels de posidònies fixadores de nitrogen amb la d’arrels de posidònies que no presentaven aquesta fixació. La diferència entre els dos microbiomes se centrava en un únic gammaproteobacteri, del gènere Celerinatantimonas. Aquest gammaproteobacteri era abundant en les arrels de plantes fixadores de nitrogen i relativament rar en les no-fixadores.
La comparació d’aquest gammaproteobacteri amb les bases de dades de microorganismes cultivats assenyalava un 95% de similitud en el gen ARNr 16S de C. diazotrophica, que és un bacteri fixador de nitrogen aïllat de la rizosfera d’herbes halòfiles. Mohr et al. opten per proposar que es tracta d’una espècie nova, que designen provisionalment com a Candidatus Celerinatantimonas neptuna (Ca. C. neptuna).
Amb sondes específiques de l’ARNr 16S de C. neptuna marcades amb fluoresència, per hibridació in situ, Mohr et al. constaten la presència d’aquest bacteri en talls histològics d’arrels de posidònia. Mentre que en talls histològics de mostres d’arrels de la primavera hi ha nombre escàs de cèl·lules de C. neptuna, aquestes són abundants en l’estiu: el 80% dels comptatges de nuclis cel·lulars (mitjançant DAPI) de l’escorça i estela de l’arrel es corresponen a C. neptuna.
A través de l’espectrometria de masses de nanoescala (nanoSIMS) i marcatge per 15N, Mohr et al. registraren la fixació de N2 en arrels estivals de posidònia per part de C. neptuna. El 98% de la fixació de nitrogen era transferit efectivament a la posidònia.
La capacitat metabòlica de l’endòfit
A partir del metagenoma, Mohr et al. dedueixen el genoma de C. neptuna, que consisteix en un cromosoma circular de 4,3 milions de parells de nucleòtids. Presenta tots els gens necessaris per a la fixació de nitrogen (nitrogenasa, nifHDK/F) que, a més, es troben sobreexpressats en les condicions estivals abans referides. S’hi dedueix que el producte d’aquesta fixació, amoni, és transferit directament a la posidònia, encara que també hi hauria una transferència en forma d’aminoàcids (glutamat, fenilalanina, leucina).
Dels nivells d’expressió gènica de C. neptuna es dedueixen quines són les aportacions dels teixits de la posidònia a aquest bacteri: GABA, sacarosa i oxigen. Dins de les arrels de posidònia, C. neptuna troba una aportació energètica i en un entorn microòxic.
L’alta transcripció de gens bacterians com flaA o flp permet deduir que C. neptuna realitzà una invasió i colonització actives de l’arrel de posidònia.
La rellevància d’aquesta simbiosi en l’evolució de les herbes marines
El grup d’herbes marines en el que s’incardina la posidònia evolucionà fa uns 100 milions d’anys a partir de plantes terrestres. Són, en el regne vegetal, un anàleg d’allò que són els cetacis en el regne animal: un retorn a la mar. Aquest retorn exigí ajustar tota la fisiologia a una vida submergida en aigua salada.
En aquesta transició de la vida aèria a la vida aquàtica marina, els avantpassats de les posidionàcies devien veure transformat el seu microbioma de manera notable. El nou microbioma era confegit de bacteris del bentos marí, com bacteris reductors de sulfat o bacteris oxidadores de sulfur.
C. neptuna pertany a un grup de bacteris marins litorals. Les celerinatantimonadàcies han estat trobades en associació amb macroalgues marines, amb plantes halòfiles terrestres com Juncus o Spartina i amb herbes marines com Thalassia. Molts d’aquests bacteris presenten, d’acord amb el seu genoma, la capacitat de fixar nitrogen atmosfèric.
En l’evolució de C. neptuna com a simbiont de posidònia fou cabdal l’adquisició de la capacitat de degradar extracel·lularment pectina, ja que això li permetia la invasió de les arrels de la planta.
L’estudi de Mohr et al. obre noves perspectives sobre els herbassars marins, la seva evolució i el lloc en l’ecologia global.
Lligams:
– Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium. Wiebke Mohr, Nadine Lehnen, Soeren Ahmerkamp, Hannah K. Marchant, Jon S. Graf, Bernhard Tschitschko, Pelin Yilmaz, Sten Littmann, Harald Gruber-Vodicka, Nikolaus Leisch, Miriam Weber, Christian Lott, Carsten J. Schubert, Jana Milucka, Marcel M. M. Kuypers. Nature (2021).
Des de la Mediterrània 