Из цветения водорослей регулярно получаются красивые, закрученные спутниковые фотографии озер и океанов. Они также время от времени попадают в новости из-за отравления рыб, людей и других животных. Реже обсуждается огромная роль, которую они играют в глобальном круговороте углерода. Недавнее исследование раскрывает удивительные факты о потоке углерода при цветении фитопланктона. Неожиданно небольшое число бактериальных клад с ограниченным набором генов ответственны за большую часть деградации водорослевых сахаров.
Водоросли поглощают углекислый газ (CO2) из атмосферы и превращают углерод в биомассу, высвобождая кислород обратно в атмосферу. Быстрый рост водорослей во время цветения фитопланктона приводит к массовому переносу углекислого газа в биомассу водорослей. Но что происходит с углеродом дальше?
После того, как водоросли умирают, углерод реминерализуется микроорганизмами, потребляющими их биомассу. Таким образом, он возвращается в атмосферу в виде углекислого газа. В качестве альтернативы, если мертвые водоросли опускаются на морское дно, органическое вещество погребается в отложений, потенциально в течение очень долгого времени», - объясняет первый автор Карен Крюгер из Института морской микробиологии им. Макса Планка в Бремене. «Процессы, лежащие в основе реминерализации углерода водорослей, до сих пор полностью не изучены».
Так, Крюгер и ее коллеги исследовали микроорганизмы во время весеннего цветения водорослей в южной части Северного моря, на острове Гельголанд. Они специально рассмотрели использование бактериями полисахаридов - сахаров, которые составляют значительную часть биомассы водорослей. Вместе с коллегами из Института Макса Планка, Университета Грайфсвальда и Объединенного института генома Министерства энергетики в Калифорнии Крюгер провел целевой метагеномный анализ бактерий типа Bacteroidetes, поскольку известно, что они потребляют много полисахаридов. В частности, ученые изучили кластеры генов, называемые локусами утилизации полисахаридов (PUL), которые, как было установлено, специфичны для конкретного полисахаридного субстрата. Если бактерия содержит определенный PUL, это указывает на то, что она питается соответствующим сахаром водорослей.
Низкое разнесение PUL
«Вопреки нашим ожиданиям, разнообразие важных PUL было относительно низким, - говорит Крюгер. Только пять основных классов полисахаридов регулярно становились мишенью для нескольких видов бактерий, а именно бета-глюканы (такие как ламинарин, основное соединение диатомовых водорослей), альфа-глюканы (такие как крахмал и гликоген, а также соединения водорослей и бактерий), маннаны. и ксиланы (обычно компоненты клеточной стенки водорослей) и альгинаты (в основном известные как слизистые вещества, продуцируемые бурыми макроводорослями). Из этих пяти субстратов только два (альфа- и бета-глюканы) составляют большинство субстратов, доступных бактериям во время цветения фитопланктона. Это означает, что наиболее важные полисахаридные субстраты, выделяемые умирающими водорослями, состоят из довольно небольшого набора основных компонентов.
Учитывая то, что мы знаем о разнообразии видов водорослей и бактерий, а также огромную потенциальную сложность полисахаридов, неудивительно было увидеть такой ограниченный спектр PUL и лишь в относительно небольшом числе бактериальных клад, - резюмирует в сопроводительном комментарии соавтор Бен Фрэнсис из Института морской микробиологии им. Макса Планка. «Это было особенно неожиданно, потому что предыдущие исследования предполагали нечто иное. Анализ более 50 бактериальных изолятов, то есть бактерий, которые можно культивировать в лаборатории, который наша рабочая группа провела в том же регионе отбора проб, выявил гораздо более широкое разнообразие PUL. - добавляет он.
Временная последовательность деградации полисахаридов
Во время цветения водорослей ученые наблюдали четкую закономерность: на ранних стадиях цветения преобладало меньшее количество более простых полисахаридов, в то время как более сложные полисахариды становились доступными по мере развития цветения. Это может быть вызвано двумя факторами, поясняет Фрэнсис: «Во-первых, бактерии обычно предпочитают легко разлагаемые субстраты, такие как простые запасные гликаны, биохимически более требовательным субстратам. Во-вторых, более сложные полисахариды становятся все более доступными в течение периода цветения, когда все больше погибнет больше водорослей."
Это исследование дает беспрецедентную информацию о динамике цветения фитопланктона и его главных действующих лиц. Фундаментальное понимание основной части потока углерода, опосредованного гликанами, во время цветения фитопланктона теперь находится в пределах досягаемости. «Далее мы хотим глубже изучить процессы, лежащие в основе наблюдаемой динамики», - говорит Крюгер. «Более того, будет интересно исследовать деградацию полисахаридов в средах обитания с другими источниками углерода, таких как арктические моря или отложения».