Il contesto comunitario e la pCO2 influiscono sul trascrittoma del batterio “helper” Alteromonas in co

May 12, 2023

Comunicazioni ISME volume 2, numero articolo: 113 (2022) Citare questo articolo

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Molti fotoautotrofi microbici dipendono da batteri eterotrofi per svolgere funzioni essenziali. I cambiamenti ambientali, tuttavia, potrebbero alterare o eliminare tali interazioni. Abbiamo studiato gli effetti della modifica della pCO2 sulla trascrizione genica in co-colture di 3 ceppi di picocianobatteri (ceppi Synechococcus CC9311 e WH8102 e ceppo Prochronococcus MIT9312) accoppiati con il batterio "helper" Alteromonas macleodii EZ55. La co-coltura con cianobatteri ha prodotto un numero molto più elevato di geni up- e down-regolati in EZ55 rispetto a pCO2 da solo. L'analisi del percorso ha rivelato una trascrizione significativamente diversa dei geni coinvolti nel metabolismo dei carboidrati, nella risposta allo stress e nella chemiotassi, con diversi modelli di up o down-regulation in co-coltura con diversi ceppi di cianobatteri. I modelli di trascrizione genetica dei trasportatori di nutrienti organici e inorganici e i geni del catabolismo in EZ55 hanno suggerito che le risorse disponibili nei terreni di coltura erano alterate in condizioni di pCO2 elevate (800 ppm). Nel complesso, il cambiamento dei modelli di trascrizione era coerente con la possibilità che la composizione delle escrezioni di cianobatteri cambiasse sotto i due regimi di pCO2, causando ampi cambiamenti ecofisiologici in entrambi i membri delle co-colture. Inoltre, una significativa downregulation dei geni dello stress ossidativo nelle cocolture MIT9312/EZ55 a 800 ppm di pCO2 era coerente con un legame tra la prevista ridotta disponibilità di sottoprodotti fotorespiratori (ad esempio, glicolato/2PG) in questa condizione e le riduzioni osservate dei carichi di stress ossidativo interno per EZ55 , fornendo una possibile spiegazione per la mancanza di "aiuto" precedentemente osservata fornita da EZ55 a MIT9312 in caso di pCO2 elevata. Se simili ampie alterazioni nell’ecofisiologia microbica si verificassero nell’oceano con l’aumento della pCO2 atmosferica, potrebbero portare a un funzionamento sostanzialmente alterato dell’ecosistema e alla composizione della comunità.

Spinto in gran parte dalle attività antropiche, il contenuto di anidride carbonica dell’atmosfera terrestre (pCO2) sta aumentando a un ritmo senza precedenti nella storia [1]. Un impatto di questo cambiamento è l’acidificazione degli oceani causata dall’assorbimento di CO2 da parte dell’acqua di mare [2]. La velocità di questi cambiamenti è influenzata dal fitoplancton marino, responsabile di circa la metà della produttività primaria globale [3, 4]. Il fitoplancton è a sua volta metabolicamente interconnesso con il batterioplancton attraverso il rilascio di materia organica disciolta (DOM) che viene rimineralizzata tramite la respirazione aerobica, creando un ciclo interno del carbonio noto come ciclo microbico [5]. I tassi relativi di fissazione e rilascio del carbonio, nonché l’esportazione di carbonio verso i sedimenti o livelli trofici più elevati, influenzano il ritmo complessivo del cambiamento di pCO2 [6]. Di conseguenza, sono stati compiuti sforzi sostanziali per comprendere come il cambiamento della pCO2 influenzerà le dinamiche di crescita del fitoplancton [7, 8].

I picocianobatteri Prophylococcus e Synechococcus sono i due generi di fitoplancton più abbondanti nell’oceano aperto e sono quindi componenti importanti del ciclo del carbonio marino [9]. I modelli di cambiamento climatico che considerano solo l’aumento della temperatura e della luce hanno previsto aumenti significativi del numero di cellule per entrambi i taxa entro il 2100 [9]. Tuttavia, i due generi hanno risposto in modo diverso negli esperimenti basati sulla coltura alla pCO2 e alla temperatura future [10], con Prophylococcus che ha mostrato tassi di crescita sostanzialmente ridotti sotto la proiezione dell’anno 2100 pCO2 (800 ppm) [11]. Modelli che incorporavano la risposta del fitoplancton sia alla temperatura che alla pCO2 suggerivano che il Prophylococcus sarebbe stato superato in tutto il suo areale dal Synechococcus [12] con impatti potenzialmente drammatici sul ciclo del carbonio oceanico.

È interessante notare che il deterioramento della crescita di Prophylococcus ad alta pCO2 è stato parzialmente causato da cambiamenti di trascrizione nel batterio "helper" Alteromonas macleodii EZ55 con cui è stato co-coltivato in questi esperimenti [7]. Precedenti esperimenti hanno dimostrato che le colture di Prophylococcus dipendevano da batteri ausiliari come EZ55 per tollerare l'H2O2 presente nei terreni di coltura [13, 14]. Tuttavia, EZ55 ha sottoregolato l’enzima catalasi di rimozione dell’H2O2 a 800 ppm pCO2, impedendo di fatto l’aiuto del Proclorococco e portando a tassi di crescita ridotti e mortalità elevata [7].