根の中の小さな粒子によって受精：生態学的に重要な海草牧草地の成功は、明らかにこれらの水生植物と窒素固定バクテリアの高度に発達した共生に基づいていることが研究で明らかになった。このシステムは、一部の陸上植物に大気中の窒素へのアクセスを与える交換の概念に似ています。海草草原は、成長を促進する共生作用を通じて、最終的には温室効果ガスである二酸化炭素の結合にも貢献できると科学者らは強調している。
非常に重要な緑の水中景観：青々とした海草の牧草地は世界中の多くの海岸に生えており、その総面積は最大60万平方キロメートルで、これはフランスの面積にほぼ相当します。それらは多くの生物にとっての住処であり、何よりも多くの種類の魚にとって安全な苗床となります。さらに、水生植物のカーペットは海岸を浸食から守り、毎年数百万トンの二酸化炭素を吸収し、いわゆる「ブルーカーボン」としてバイオマスに長期間結合したままになります。海藻はその広範な重要性により、すでにいくつかの研究の焦点となっています。すべての植物と同様に、これらの植物にも栄養素が必要であることは明らかです。最も重要なものの 1 つは窒素です。この元素は空気中の窒素分子の溶液を介して海水にも豊富に含まれていますが、植物はこの形で窒素を吸収できません。
栄養素が不足しているにもかかわらず豊かです
これまで、海草は水と堆積物から利用可能な窒素化合物のみを取得すると考えられていました。しかし、ほとんどの場所では、「通常の」供給源からの供給は大幅に制限されています。しかし、特殊な種類の細菌が、特定の代謝プロセスを介して元素窒素を生物学的に利用可能な形態に変換できることは長い間知られていました。これらの微生物の中には植物と共生するものもあり、根の中に生息し、そこで大気中の窒素を固定し、より利用可能な化合物の形でパートナーに放出します。その見返りに、植物は細菌に炭水化物やその他の栄養素を供給します。この共生はマメ科植物で特に高度に発達しています。根粒、インゲン豆などでは、パートナーである微生物に特に効果的な酸素供給を確保するために特別なヘモグロビン物質を使用しています。
「しかし、海草の場合、以前は、海底の植物の根の周囲に生息する自由生活性の窒素固定細菌から窒素を吸収するだけだと考えられていました」とマックス・プランク海洋微生物研究所のヴィーブケ・モール氏は言う。ブレーメンで。 「しかし、私たちは今、これが言葉の本当の意味での密接な関係でもあることを示しています。これらの細菌は海草の根の中に住んでいます。 「これまでのところ、この形態の共生は陸上植物でのみ知られていました」と科学者は強調する。
この研究のために、モール氏らは地中海で一般的なポシドニア属の海藻を調べた。研究者らは、個々の種類の細菌を色でマークできる顕微鏡技術を使用して、ネプチューングラスとしても知られるこれらの水生植物の根に細菌を発見しました。彼らは、特定の種類の微生物がそれらの間の空間と植物細胞自体の両方に高密度で存在することを示すことができました。研究者らはこれらの微生物を、宿主であるネプチューングラスにちなんで「セレリナタンティモナス ネプチューナ」と名付けた。
共生の道を進む
研究チームは、遺伝学的および分子生物学的手法を用いて、それが窒素固定細菌であることを証明することができた。したがって、遺伝子は、他の種の元素窒素の結合および処理に関与することが知られている微生物でも活性である。研究者らはまた、共生を促進する植物の適応の証拠も発見した。また、植物による固定窒素の取り込みを直接検出することもできた。これを行うために、彼らは過剰な同位体 15N を含む窒素ガスを試験システムに供給しました。このトレーサー窒素は植物組織内で検出される可能性があります。この結果は、地上システムと同様の共生形態を示唆していると科学者らは述べている。
約1億年前に海草が陸から海に移動したとき、海草は明らかに海洋共生生物を獲得し、この生息地での窒素供給を改善できるようになりました。冬と春には水と底質に存在する栄養素で十分な可能性があるため、共生の重要性はおそらく夏に特に重要です。 「共生生物は植物の根に時折存在しますが、おそらくあまり活発ではありません」とモーア氏は言う。しかし、夏には日照量が増加し、成長が促進されるため、窒素が急速に不足します。その後、共生生物が栄養供給を引き継ぐようです。研究者らは、海草は栄養の乏しい夏の時期に最も成長する可能性があると説明している。
研究者らは、これがネプチューングラスだけの特異性ではないと考えている。「我々の遺伝子分析では、熱帯の海草にもそのような共生が存在することが示されている」とモーア氏は言う。 「次に、これらの新しい細菌をさらに詳しく調べたいと思います。私たちは、共生がどのように機能し、どのようにして生じたのかをより詳細に調査するために、それらを実験室で隔離したいと考えています。他の地域や生息地でも同様のシステムを探すのは間違いなくエキサイティングなものになるでしょう」と科学者は言います。
出典: Max Planck Institute for Marine Microbiology、専門記事: Nature、doi: 10.1038/s41586-021-04063-4
