Впервые ученые продемонстрировали, что морские растения использует симбиотических бактерий внутри своих корней для фиксации азота.
Пышные луга морских водорослей устилают дно Средиземного моря у итальянского острова Эльба. Морские растения помогают сформировать важную экосистему в прибрежной среде и поглощают значительное количество углерода, который в конечном итоге оказывается погребенным глубоко под осадками. Но исследователей давно интересовало, как эти морские растения, которые часто растут в водах со скудными ресурсами, получают ключевой компонент для успешной жизнедеятельности любого растения - азот. "С одной стороны, эта среда бедна питательными веществами, а с другой - создается очень большое количество биомассы", - говорит биогеохимик Вибке Мор из Института морской микробиологии Макса Планка, Германия. "Отсюда и возникла мысль, что должен быть какой-то источник [азота]".
Единственные организмы, которые могут "фиксировать" азот, то есть извлекать его из окружающей среды и соединять с другими элементами в форму, которую могут использовать другие живые существа, - это микроорганизмы. На суше многие растения, например, бобовые, образуют тесные симбиотические отношения с азотофиксирующими бактериями внутри своих корней. Чтобы выяснить, так же ли устроены морские растения, коллеги Мор собрали "траву Нептуна" (Posidonia oceanica) из залива Фетовайя у юго-западного побережья Эльбы и привезли ее в лабораторию.
Сначала они продели листья морской травы через маленькое отверстие в латексной перчатке и поместили корни растения в бутылку, запечатав перчатку по ободок. Через отверстие в перчатке они впрыснули воду, содержащую азотный трассер, и накрыли бутылку черным пластиковым пакетом, чтобы имитировать темноту при погребении под осадком. Затем исследователи погрузили экспериментальные растения в аквариум с морской водой. Через день или два Мор и ее коллеги препарировали растения и измерили, сколько азотного трассера было зафиксировано в корнях. "Это удивительная система, которую они создали", - говорит Джонатан Айзен, исследователь микробиома морских трав из Калифорнийского университета.
В растениях, собранных во время летнего вегетационного периода, группа Мор увидела недавно зафиксированный азот в корнях и обнаружила, что пятая часть его перешла в листья в течение 24 часов. Чтобы определить азотфиксирующий микроорганизм, исследователи проанализировали сиквенсы микроорганизмов в корнях морских трав и нашли главного подозреваемого. "Почти каждый раз, когда мы измеряли более высокую скорость фиксации азота, мы также наблюдали более высокую численность этого [одного] микроорганизма", - говорит Мор. Когда они исследовали растения, собранные в нелетние месяцы, более низкие уровни вновь зафиксированного азота в корнях также коррелировали с более низкими уровнями этого микроорганизма. Геном бактерии позволил предположить, что это новый вид, который группа назвала Candidatus Celerinatantimonas neptuna.
Используя флуоресцентно меченные зонды в поперечных срезах корней морской травы, исследователи обнаружили бактерию как внутри клеток корней, так и между ними. Кроме того, специалисты показали, что у Ca. C. neptuna гены нитрогеназы, фермента, способствующего процессу фиксации, интенсивно транскрибировались во время фиксации азота, и азотный трейсер встраивался в аминокислоты бактерии. Дальнейшие анализы показали, что морская трава поставляет бактериям сахар и аминокислоту GABA, как это делают некоторые наземные растения.
"Что делает эту работу хорошей, так это то, что они сделали все... чтобы попытаться охарактеризовать эту конкретную систему", - говорит Айзен, называя исследование "всеобъемлющим". Он добавляет, что надеется, что лучшее понимание этих растений улучшит сохранение и восстановление прибрежных экосистем. "Поглощение азота является фундаментально особенностью функционирования этих сообществ".
