הסימביונטים המקבעים חנקן Rhizobial (מסומנים בצורה ניאון בכתום וירוק באמצעות בדיקות גנטיות) השוכנים בתוך דיאטומים שנאספו מצפון האוקיינוס האטלנטי הטרופי. גרעין הדיאטום מוצג בכחול בהיר. קרדיט: מכון מרקן אסתי/מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית, ברמן, גרמניה
מחקר חדש חושף סימביוזה בין דיאטום ימי לחיידק דמוי Rhizobia, החיוני לקיבוע חנקן באוקיינוס, אשר עשוי להשפיע גם על שיטות חקלאות עתידיות על ידי הפעלת מפעלים מהונדסים לקיבוע חנקן.
מדענים גילו שחיידקי Rhizobia, הידועים באופן מסורתי בקיבוע חנקן סימביוטי בקטניות, משתפים פעולה גם עם דיאטומים ימיים לקיבוע חנקן, ומציעים פתרון לתעלומה ימית ארוכת שנים. ממצא זה לא רק משפר את ההבנה של מחזורי החנקן האוקיינוסים, אלא גם מציע יישומים חקלאיים ואבולוציוניים פוטנציאליים, המדגיש את התפקיד הקריטי של החיידק בתפוקה ימית וספיגת פחמן דו חמצני.
חנקן הוא מרכיב חיוני של כל האורגניזמים החיים. הוא גם ממלא תפקיד מכריע בוויסות הצמיחה של יבולים ביבשה וכן בצמחים ימיים מיקרוסקופיים, המייצרים מחצית מהחמצן בעולם. למרות שגז חנקן אטמוספרי הוא המאגר הגדול ביותר של חנקן, צמחים אינם יכולים להפוך אותו לצורה שמישה. עם זאת, גידולים מסוימים כגון פולי סויה, אפונה ואספסת, הידועים ביחד בשם קטניות, רכשו שותפים חיידקיים Rhizobial ש"מקבעים" חנקן אטמוספרי לאמוניום, שבו יכולים צמחים להשתמש. שותפות זו הופכת את הקטניות לאחד המקורות החשובים ביותר לחלבונים באספקת המזון שלנו.
תגלית פורצת דרך בביולוגיה ימית
עדיין לא ברור כיצד צמחים ימיים משיגים את החנקן שהם צריכים כדי לגדול. כעת, חוקרים ממכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית, ממכון אלפרד וגנר ומאוניברסיטת וינה גילו ש-Rhizobia יכולה ליצור שותפויות דומות עם צמחים ימיים זעירים הנקראים דיאטומים. ממצא זה, מפורט לאחרונה טֶבַע פרסום, לא רק פותר תעלומה ימית ארוכת שנים, אלא גם מציע תובנות שעלולות להוביל לטכנולוגיות חקלאיות מהפכניות.
חשיפת מתקן חנקן ימי חדש
בעבר, ההנחה הייתה שרוב קיבוע החנקן באוקיינוסים בוצע על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים הנקראים ציאנובקטריה. עם זאת, באזורים נרחבים של האוקיינוס, אין מספיק ציאנובקטריות כדי להסביר קיבוע חנקן נמדד. לפיכך, מדענים רבים שיערו שמיקרואורגניזמים שאינם ציאנובקטריאליים חייבים להיות אחראים לקיבוע החנקן ה"חסר".
"במשך שנים, מצאנו שברי גנים המקודדים לאנזים ניטרוגנאז מקבע חנקן, שנראה היה שייך למקבע חנקן מסוים שאינו ציאנובקטריאלי", אומר מרסל קויפרס, המחבר הראשי של המחקר. "אבל לא הצלחנו להבין מיהו האורגניזם החידתי, ולכן לא היה לנו מושג אם הוא חשוב לקיבוע חנקן."
נפגש ותברך בים. שתי ספינות המחקר המעורבות במחקר (R/V Meteor ו-R/V Maria S. Merian) נפגשו מספר פעמים במהלך המשלחת. קרדיט: מכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית ברמן/Wiebke Mohr
חושפים את זהותו של סימביונט מסתורי
בשנת 2020 נסעו המדענים מברמן לצפון האוקיינוס האטלנטי הטרופי כדי להצטרף למשלחת שכללה שתי ספינות מחקר גרמניות. הם אספו מאות ליטרים של מי ים מהאזור, שבהם מתרחש חלק גדול מקיבוע החנקן הימי העולמי, בתקווה לזהות ולכמת את חשיבותו של מקבע החנקן המסתורי. לקח להם את שלוש השנים הבאות עד שסוף סוף חיברו את הגנום שלו. "זו הייתה עבודת בילוש ארוכה וקפדנית, אבל בסופו של דבר, הגנום פתר תעלומות רבות", אומר ברנהרד צ'יצ'קו, המחבר הראשון של המחקר והביואינפורמטיקן העובד כעת באוניברסיטת אינסברוק.
מחבר שותף וביואינפורמטיקן דאן ספת מאוניברסיטת וינה מוסיף: "בהתבסס על קטע גן הניטרוגנאז שראינו בדגימות ימיות רבות בעבר, אפשר היה לצפות למצוא את הגן הזה באורגניזם הקשור ל-Vibrio, אך על ידי חיבור זהיר זה לזה. מהמידע הגנטי התברר שבמקום זאת, הוא שייך לגנום הקשור קשר הדוק ל-Rhizobia הידוע, שבדרך כלל חי בסימביוזה עם צמחי קטניות". יחד עם הגנום הקטן והמפתיע שלה, זה העלה את האפשרות שהריזוביה הימית עשויה להיות סימביונטה.
קבוצה של דיאטומים עם הסימביונטים שלהם בעלי תווית פלואורסצנטית. קרדיט: מכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית ברמן/מרקן אסתי
חשיפת מערכת יחסים סימביוטית ייחודית
בעקבות התגליות הללו, המחברים פיתחו בדיקה גנטית שיכולה לשמש לתיוג ניאון של ה-Rhizobia. "זה איפשר לנו לדמיין את ה-Rhizobia ישירות בבית הגידול המקומי שלהם – הדגימות הסביבתיות המורכבות שנאספו באוקיינוס האטלנטי", אומרת קתרינה קיצינגר, שהחלה לתרום לפרויקט זה במכון מקס פלאנק והמשיכה להעניק את מומחיותה לאחר שעברה לאוניברסיטת וינה.
חשדותיהם לגבי היותו סימביון אושרו במהירות. "מצאנו סטים של ארבע Rhizobia, תמיד יושבים באותו מקום בתוך הדיאטומים", אומר קויפרס. "זה היה מאוד מרגש מכיוון שזוהי הסימביוזה הידועה הראשונה בין דיאטום למקבע חנקן לא ציאנובקטריאלי."
המדענים קראו לסימביונט שהתגלה לאחרונה Candidatus Tectiglobus diatomicola. לאחר שלבסוף פיתחו את זהותו של מקבע החנקן החסר, הם מיקדו את תשומת לבם בבירור כיצד החיידקים והדיאטום חיים בשותפות. באמצעות טכנולוגיה שנקראת nanoSIMS, הם יכלו להראות שה-Rhizobia מחליף חנקן קבוע עם הדיאטום בתמורה לפחמן. והוא משקיע בזה הרבה מאמץ: "כדי לתמוך בצמיחת הדיאטום, החיידק מקבע פי 100 יותר חנקן ממה שהוא צריך לעצמו", מסביר וויבקה מוהר, אחד המדענים בעיתון.
השלכות על פרודוקטיביות ימית וספיגת פחמן
לאחר מכן, הצוות פנה חזרה לאוקיינוסים כדי לגלות עד כמה הסימביוזה החדשה עשויה להיות נפוצה בסביבה. מהר מאוד התברר כי השותפות החדשה שהתגלתה נמצאת בכל האוקיינוסים בעולם, במיוחד באזורים שבהם מקבעי חנקן ציאנובקטריאליים נדירים. לפיכך, האורגניזמים הזעירים הללו הם ככל הנראה שחקנים מרכזיים בקיבוע החנקן האוקיינוס הכולל, ולכן הם ממלאים תפקיד מכריע בשמירה על הפריון הימי ובספיגת הפחמן הדו-חמצני באוקיינוס העולמית.
יישומים חקלאיים פוטנציאליים של סימביוזה ימית
מלבד חשיבותה לקיבוע חנקן באוקיינוסים, גילוי הסימביוזה הזו מרמז על הזדמנויות מרגשות נוספות בעתיד. קויפרס נרגש במיוחד מהמשמעות של התגלית מנקודת מבט אבולוציונית. "ההתאמות האבולוציוניות של Ca. T. diatomicola דומים מאוד לציאנובקטריה האנדוסימיוטית UCYN-A, המתפקדת כאברון מקבע חנקן בשלב מוקדם. לכן, זה ממש מפתה לשער ש-Ca. T. diatomicola ומארח הדיאטומי שלו עשויים להיות גם בשלבים הראשונים של הפיכתם לאורגניזם יחיד."
צ'יצ'קו מסכים שהזהות והאופי דמוי האברונים של הסימביונט מסקרנים במיוחד. הוא אומר, "עד כה, הוכח שמקורם של אברונים כאלה רק מהציאנובקטריה, אך ההשלכות של מציאתם בקרב ה-Rhizobiales מרגשות מאוד, בהתחשב בכך שהחיידקים הללו חשובים להפליא לחקלאות. הגודל הקטן והאופי דמוי האברונים של ה-Rhizobiales הימי אומר שהוא עשוי להיות מועמד מפתח להנדס מפעלים לקיבוע חנקן מתישהו."
המדענים ימשיכו כעת לחקור את הסימביוזה החדשה שהתגלתה ולראות אם עוד דומה לה קיים גם באוקיינוסים.
