חוקרים גילו שחיידקי Rhizobia, הידועים בקשר הסימביוטי שלהם עם קטניות, יכולים ליצור גם שותפויות דומות עם דיאטומים ימיים. לגילוי זה, השופך אור על חלק ניכר מקיבוע החנקן הימי, יש השלכות הן על הביולוגיה הימית והן על הטכנולוגיה החקלאית. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר פורץ דרך מגלה שחיידקי Rhizobia יכולים לתקן חנקן בשיתוף עם דיאטומים ימיים, תגלית שיכולה להיות בעלת השלכות משמעותיות על החקלאות ועל המערכות האקולוגיות הימיות.
חנקן הוא מרכיב חיוני של כל האורגניזמים החיים. זהו גם מרכיב המפתח השולט בצמיחת היבולים ביבשה, כמו גם הצמחים האוקיינוסים המיקרוסקופיים המייצרים מחצית מהחמצן על הפלנטה שלנו.
גז חנקן אטמוספרי הוא ללא ספק מאגר החנקן הגדול ביותר, אך צמחים אינם יכולים להפוך אותו לצורה שמישה. במקום זאת, צמחי יבול כמו פולי סויה, אפונה ואספסת (הידועים ביחד בשם קטניות) רכשו שותפים חיידקיים Rhizobial ש"מקבעים" חנקן אטמוספרי לאמוניום. שותפות זו הופכת את הקטניות לאחד המקורות החשובים ביותר לחלבונים בייצור מזון.
מדענים ממכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית בברמן, גרמניה, מדווחים כעת כי Rhizobia יכולה ליצור גם שותפויות דומות עם צמחים ימיים זעירים הנקראים דיאטומים – תגלית שפותרת תעלומה ימית ארוכת שנים ושיש לה יישומים חקלאיים מרחיקי לכת.
הסימביונטים המקבעים חנקן Rhizobial (מסומנים בצורה ניאון בכתום וירוק באמצעות בדיקות גנטיות) השוכנים בתוך דיאטומים שנאספו מצפון האוקיינוס האטלנטי הטרופי. גרעין הדיאטום מוצג בכחול בהיר. קרדיט: מכון מרקן אסתי/מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית, ברמן, גרמניה
מתקן חנקן ימי אניגמטי המסתתר בתוך דיאטום
במשך שנים רבות ההנחה הייתה שרוב קיבוע החנקן באוקיינוסים מתבצע על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים הנקראים ציאנובקטריה. עם זאת, באזורים נרחבים של האוקיינוס אין מספיק ציאנובקטריות כדי להסביר קיבוע חנקן נמדד. לפיכך, נוצרה מחלוקת, כאשר מדענים רבים שיערו כי מיקרואורגניזמים שאינם ציאנובקטריאליים חייבים להיות אחראים לקיבוע החנקן ה"חסר".
"במשך שנים, מצאנו שברי גנים המקודדים לאנזים ניטרוגנאז מקבע חנקן, שנראה היה שייך למקבע חנקן מסוים שאינו ציאנובקטריאלי", אומר מרסל קויפרס, המחבר הראשי של המחקר. "אבל לא הצלחנו להבין מיהו האורגניזם החידתי, ולכן לא היה לנו מושג אם הוא חשוב לקיבוע חנקן."
קבוצה של דיאטומים עם הסימביונטים שלהם בעלי תווית פלואורסצנטית. קרדיט: מכון מרקן אסתי/מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית, ברמן, גרמניה
בשנת 2020 נסעו המדענים מברמן לצפון האוקיינוס האטלנטי הטרופי כדי להצטרף למשלחת שכללה שתי ספינות מחקר גרמניות. הם אספו מאות ליטרים של מי ים מהאזור, שבהם מתרחש חלק גדול מקיבוע החנקן הימי העולמי, בתקווה לזהות ולכמת את חשיבותו של מקבע החנקן המסתורי. לקח להם את שלוש השנים הבאות עד שסוף סוף חיברו את הגנום שלו.
"זו הייתה עבודת בילוש ארוכה וקפדנית", אומר ברנהרד צ'יצ'קו, המחבר הראשון של המחקר ומומחה לביואינפורמטיקה, "אבל בסופו של דבר, הגנום פתר תעלומות רבות". הראשון היה זהות האורגניזם, "בעוד שידענו שגן הניטרוגנאז מקורו בחיידק הקשור ל-Vibrio, באופן בלתי צפוי, האורגניזם עצמו היה קשור קשר הדוק ל-Rhizobia שחיים בסימביוזה עם קטניות", מסביר צ'יצ'קו. יחד עם הגנום הקטן והמפתיע שלה, זה העלה את האפשרות שהריזוביה הימית עשויה להיות סימביונטה.
הסימביוזה הידועה הראשונה מסוג זה
בעקבות התגליות הללו, המחברים פיתחו בדיקה גנטית שיכולה לשמש לתיוג ניאון של ה-Rhizobia. ברגע שהם יישמו אותו על דגימות מי הים המקוריות שנאספו מצפון האוקיינוס האטלנטי, החשדות שלהם לגבי היותו סימביון אושרו במהירות. "מצאנו סטים של ארבע Rhizobia, תמיד יושבות באותו מקום בתוך הדיאטומים", אומר קויפרס, "זה היה מאוד מרגש מכיוון שזוהי הסימביוזה הידועה הראשונה בין דיאטום למקבע חנקן שאינו ציאנובקטריאלי."
המדענים קראו לסימביונט שזה עתה התגלה מועמד Tectiglobus diatomicola. לאחר שלבסוף פיתחו את זהותו של מקבע החנקן החסר, הם מיקדו את תשומת לבם בבירור כיצד החיידקים והדיאטום חיים בשותפות. באמצעות טכנולוגיה שנקראת nanoSIMS, הם יכלו להראות שה-Rhizobia מחליף חנקן קבוע עם הדיאטום בתמורה לפחמן.
והוא משקיע בזה הרבה מאמץ: "כדי לתמוך בצמיחת הדיאטום, החיידק מקבע פי 100 יותר חנקן ממה שהוא צריך לעצמו", מסביר וויבקה מוהר, אחד המדענים בעיתון.
נפגש ותברך בים. שתי ספינות המחקר המעורבות במחקר (R/V Meteor ו-R/V Maria S. Merian) נפגשו מספר פעמים במהלך המשלחת. קרדיט: מכון ויבקה מור/מקס פלאנק למיקרוביולוגיה ימית, ברמן, גרמניה
תפקיד מכריע בשמירה על הפריון הימי
בשלב הבא הצוות פנה בחזרה לאוקיינוסים כדי לגלות עד כמה הסימביוזה החדשה עשויה להיות נפוצה בסביבה. מהר מאוד התברר כי השותפות החדשה שהתגלתה נמצאת בכל האוקיינוסים בעולם, במיוחד באזורים שבהם מקבעי חנקן ציאנובקטריאליים נדירים. לפיכך, האורגניזמים הזעירים הללו הם ככל הנראה שחקנים מרכזיים בקיבוע החנקן האוקיאני הכולל, ולפיכך ממלאים תפקיד מכריע בשמירה על הפריון הימי ובספיגת הפחמן הדו-חמצני באוקיינוס העולמית.
מועמד מפתח להנדסה חקלאית?
מלבד חשיבותה לקיבוע חנקן באוקיינוסים, גילוי הסימביוזה מרמז על הזדמנויות מרגשות נוספות בעתיד. קויפרס נרגש במיוחד מהמשמעות של התגלית מנקודת מבט אבולוציונית.
"ההתאמות האבולוציוניות של כ. T. diatomicola דומים מאוד לציאנובקטריה האנדוסימיוטית UCYN-A, המתפקדת כאברון מקבע חנקן בשלב מוקדם. לכן, זה ממש מפתה לשער את זה כ. T. diatomicola ומארח הדיאטומי שלו עשויים להיות גם בשלבים הראשונים של הפיכתם לאורגניזם יחיד."
צ'יצ'קו מסכים שהזהות ואופיו דמוי האברונים של הסימביונטה מסקרנים במיוחד, "עד כה, הוכח שמקורם של אברונים כאלה רק מהציאנובקטריה, אבל ההשלכות של מציאתם בין ה-Rhizobiales מרגשות מאוד, בהתחשב בכך שחיידקים אלה הם חשוב להפליא לחקלאות. הגודל הקטן והאופי דמוי האברונים של ה-Rhizobiales הימי אומר שהוא עשוי להיות מועמד מפתח להנדס מפעלים לקיבוע חנקן מתישהו."
המדענים ימשיכו כעת לחקור את הסימביוזה החדשה שהתגלתה ולראות אם קיימים עוד כמוה באוקיינוסים.
