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Nov 05, 2023

Disaccoppiamento dei tassi di respirazione e dell'abbondanza nel procarioplancton marino

Nature volume 612, pages

Natura volume 612, pagine 764–770 (2022)Citare questo articolo

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Lo scambio di CO2 tra oceano e atmosfera dipende in gran parte dall’equilibrio tra la fotosintesi microbica marina e la respirazione. Nonostante l'ampia diversità tassonomica e metabolica tra i batteri planctonici marini e gli archaea (procarioplancton)1,2,3, la loro respirazione viene solitamente misurata in blocco e trattata come una "scatola nera" nei modelli biogeochimici globali4; ciò limita la comprensione meccanicistica del ciclo globale del carbonio. Qui, utilizzando una tecnologia per analisi fenotipiche integrate e sequenziamento genomico di singole cellule microbiche, mostriamo che i tassi di respirazione specifica delle cellule differiscono di oltre 1.000 volte tra i generi di procarioplancton. Si è scoperto che la maggior parte della respirazione veniva eseguita da membri minoritari del procarioplancton (incluso il cluster Roseobacter), mentre le cellule dei lignaggi più diffusi (inclusi Pelagibacter e SAR86) avevano tassi di respirazione estremamente bassi. Il disaccoppiamento dei tassi di respirazione dall'abbondanza tra i lignaggi, i conteggi elevati di trascritti di proteorodopsina nelle cellule Pelagibacter e SAR86 e l'elevata respirazione di SAR86 durante la notte indicano che la fototrofia basata sulla proteorodopsina3,5,6,7 costituisce probabilmente un'importante fonte di energia per il procarioplancton e può aumentare l’efficienza della crescita. Questi risultati suggeriscono che la dipendenza del procarioplancton dalla respirazione e dalla remineralizzazione del carbonio organico derivato dal fitoplancton in CO2 per le sue richieste energetiche e la crescita può essere inferiore a quanto comunemente ipotizzato e variabile tra i lignaggi.

L'approccio "scatola nera" alla respirazione del procarioplancton presenta un netto contrasto con le prove schiaccianti della considerevole diversità filogenetica e genomica del procarioplancton1,2,3 e delle grandi differenze nella crescita e nei tassi di assorbimento del substrato organico tra i lignaggi, come indicato dall'ibridazione in situ con fluorescenza microautoradiografica (MAR -FISH)8, spettrometria di massa di ioni secondari su nanoscala FISH (nanoSIMS)9 e sondaggio di isotopi stabili (SIP)10. Alcuni dei processi metabolici previsti dal genoma, come la fototrofia basata sulla proteorodopsina3,5,6, possono avere un effetto diretto sulla respirazione del procarioplancton e sul rilascio di CO2 nell'atmosfera, ma la loro importanza globale rimane scarsamente limitata. Qui abbiamo sviluppato un metodo per le misurazioni integrate della velocità di respirazione dell'ossigeno in situ e il sequenziamento genomico di singole cellule microbiche per dimostrare che le velocità di respirazione differiscono di più di tre ordini di grandezza tra i generi di procarioplancton. I nostri risultati forniscono prove dell’importanza della fototrofia della proteorodopsina come fonte di energia complementare alla respirazione nei lignaggi prevalenti del procarioplancton e del suo potenziale impatto sul ciclo globale del carbonio. Questi risultati dimostrano la fattibilità del collegamento diretto di genomi e fenomeni microbici alla risoluzione di una singola cellula e sottolineano l’importanza di scomporre la scatola nera del procarioplancton marino in componenti funzionalmente più significativi nei modelli di ecosistema.

RedoxSensor Green (RSG) è stato precedentemente utilizzato in studi di laboratorio e ambientali su diversi microrganismi come sonda di vitalità cellulare specifica per l'attività dell'ossidoreduttasi11. Per valutare la fattibilità dell'utilizzo dell'RSG in modo quantitativo, abbiamo analizzato la relazione tra il consumo di ossigeno in massa e la fluorescenza dell'RSG a singola cellula in colture pure di batteri acquatici filogeneticamente diversi (il flusso di lavoro metodologico è illustrato in Dati estesi Fig. 1 e Tabella supplementare 1). Le cellule in fase stazionaria variavano nell'intensità della fluorescenza RSG in tutte le colture (Dati estesi Fig. 2a), indicando un'eterogeneità fisiologica coerente con studi precedenti12,13, ma erano distinte dai controlli negativi (Dati estesi Fig. 2b). La fluorescenza media per cellula era correlata al tasso medio di consumo di ossigeno per cellula nell'intervallo analizzato (circa 1–1.000 amol O2 per cellula per ora, R2 = 0,86), senza evidenza di bias tassonomici (Fig. 1a). Questa calibrazione della coltura ha consentito l'uso dell'intensità della fluorescenza RSG come proxy per la velocità di respirazione di una singola cellula.