España.- Un trabajo liderado por investigadores del Instituto de Ciencias del Mar caracteriza la estrecha relación de simbiosis existente entre dos organismos marinos microscópicos. En esta relación, células del grupo de las cianobacterias viven en simbiosis dentro de algas unicelulares, de mayor tamaño, y ambas intercambian nutrientes entre sí. Según los resultados del estudio, esta relación se mantiene desde hace más de 90 millones de años y desempeña un papel clave en el ciclo de nitrógeno en los océanos. El trabajo parte de datos obtenidos en la expedición Tara Oceans y ha sido publicado en la revista Nature Communications.
La investigación ahonda en este sistema simbiótico compuesto por la cianobacteria UCYN-A y un alga unicelular del grupo de las primnesiofíceas. En esta relación de conveniencia, la cianobacteria aporta nitrógeno a su hospedador, el alga, mientras que esta realiza la fotosíntesis y produce materia orgánica a partir del carbono de la cual se puede beneficiar el simbionte.
El estudio también tiene implicaciones en biología evolutiva ya que las células hospedadoras habrían podido actuar como barrera física que impidiera el intercambio genético de las cianobacterias simbiontes y eso podría haber dibujado su especiación. “El carácter obligado de esta simbiosis junto con la reducción del genoma sufrido por UCYN-A y la expresión de sus genes, centrada principalmente en la fijación de nitrógeno, hace pensar que estamos ante un proceso evolutivo similar al que dio lugar a los cloroplastos en las plantas, es decir, a la formación de un orgánulo de origen bacteriano cuya función será aportar nitrógeno a su hospedador”, explica el primer autor de esta investigación, Francisco M. Cornejo, del Grupo de Ecología y Genómica de los Microorganismos Marinos del ICM.
El nitrógeno es el gas más abundante de nuestra atmósfera y la función tanto de incorporarlo como de ponerlo a disposición al resto de la red trófica recae sólo y exclusivamente en algunos microorganismos procariotas como las cianobacterias, entre otros. Tal y como ocurre en sistemas terrestres bien caracterizados como el de las leguminosas, por ejemplo, la relación simbiótica con los microorganismos capaces de fijar nitrógeno atmosférico proporciona una ventaja adaptativa a ambos. Esta premisa no pierde validez en ambientes marinos, donde el nitrógeno, componente esencial de los aminoácidos que forman las proteínas y de los ácidos nucleicos como el ADN, es uno de los nutrientes más limitantes en la producción primaria oceánica.
Nuevas especies
El trabajo aporta imágenes de microscopía de epifluorescencia que demuestran cuán específica es esta simbiosis. De hecho, los investigadores han identificado dos linajes de este conjunto simbionte-hospedador, entre los cuales las especies son ligeramente distintas. El estudio sugiere, por tanto, que la simbiosis ha favorecido el proceso de especiación a partir de un ancestro común a los dos hospedadores descritos, así como de otro antepasado también común a los dos simbiontes. Además, revela la fidelidad de ambas simbiosis que habitan juntas pero no revueltas. “La dificultad de caracterizar microscópicamente este tipo de simbiosis se acentúa cuando se trata con microorganismos que no podemos cultivar. Es como buscar una aguja en un pajar”, comenta una de las coautoras del trabajo, Ana María Cabello, también del ICM.
Los dos linajes de UCYN-A se separaron hace unos 90 millones de años, justo después de un contexto paleoceanográfico en el que se dio el régimen de nutrientes más bajo de los últimos 500 millones de años. “Una etapa de escasos nutrientes en el océano pudo haber propiciado el establecimiento de la relación simbiótica entre el alga y la cianobacteria” nos explica una de las colaboradoras del estudio, Patricia Sánchez-Baracaldo, de la Universidad de Bristol, en el Reino Unido.
“Se trata de un sistema simbiótico muy relevante en ambientes marinos debido a que están globalmente distribuidos y, por tanto, pueden condicionar el ciclo del nitrógeno y del carbono marinos”, revela Silvia G. Acinas, investigadora del ICM, líder del estudio y coordinadora del consorcio de procariotas de Tara Oceans de dónde parten los datos del estudio. “A día de hoy disponemos de una enorme cantidad de datos, impensables hace pocos años, y es fundamental contar con recursos bioinformáticos y, sobre todo, con personal humano para poder explorarlos y analizarlos. Las historias están ahí; sólo necesitamos a alguien que las descubra”, concluye la investigadora.
En este trabajo también han participado investigadores de varios grupos internacionales entre los que se encuentran los siguientes: University of Bristol (Reino Unido), VIB/VUB/KU Leuven (Bélgica), Aix-Marseille Université (Francia), Centre National de la Recherche Scientifique – CNRS (Francia), Genoscope (Francia), European Molecular Biology Laboratory – EMBL (Alemania) y University of California (Estados Unidos).
Artículo de referencia (abierto):
Francisco M. Cornejo-Castillo, Ana M. Cabello, Guillem Salazar, Patricia Sánchez-Baracaldo, Gipsi Lima-Mendez, Pascal Hingamp, Adriana Alberti, Shinichi Sunagawa, Peer Bork, Colomban de Vargas, Jeroen Raes, Chris Bowler, Patrick Wincker, Jonathan P. Zehr, Josep M. Gasol, Ramon Massana y Silvia G. Acinas. «Cyanobacterial symbionts diverged in the late Cretaceous towards lineage-specific nitrogen fixation factories in single-celled phytoplankton». Nature Communications 7:11071 doi: 10.1038/ncomms11071 (2016).
http://www.nature.com/ncomms/2016/160322/ncomms11071/full/ncomms11071.html
