Crocosphaera watsonii

Crocosphaera watsonii (штамм WH8501) - это изолят вида одноклеточных (диаметром 2,5-6 мкм) диазотрофных морских цианобактерий, составляющих менее 0,1% морская микробная популяция. Они процветают в прибрежных олиготрофных регионах открытого океана, где температура воды превышает 24 градуса по Цельсию. Плотность клеток Crocosphaera watsonii может превышать 1000 клеток на миллилитр в пределах эуфотической зоны; однако их рост может быть ограничен концентрацией фосфора. Crocosphaera watsonii могут вносить вклад в океанический баланс углерода и азота в тропических океанах благодаря своему размеру, численности и быстрой скорости роста. Crocosphaera watsonii - это одноклеточные фиксаторы азота, которые ночью связывают атмосферный азот с аммиаком и вносят новый азот в океаны. Они являются основным источником азота для систем открытого океана. Фиксация азота важна для океанов, поскольку она не только позволяет фитопланктону продолжать расти, когда азот и аммоний очень малы, но также восполняет другие формы азота, тем самым удобряя океан и способствуя росту фитопланктона.

• 1 Ритм Диля
• 2 Блокировка Фотосистемы II
• 3 Утилизация железа
• 4 Ограничение фосфора
• 5 Ссылки

Диазотрофные цианобактерии развили ряд механизмов, гарантирующих, что кислород не мешает чувствительному к кислороду ферментному комплексу, ответственному за фиксацию азота, поскольку эти ферменты чувствительны к кислороду. Кислород особенно токсичен для нитрогеназы. Один из способов, которым азотфиксирующие цианобактерии, такие как цианобактерии из родов «Nostoc » и «Anabaena », избегают кислородного отравления, - это использование специализированных клеток, называемых гетероцистами которые лишены фотосистемы II и, следовательно, не имеют выделения кислорода. Crocosphaera watsonii - диазотрофная цианобактерия, которая имеет фотосистему II, выделяющую кислород, и поэтому один из способов защиты своей нитрогеназы от кислорода - это адаптация к ритму диэля. Это временно разделяет метаболизм углерода и азота между днем ​​и ночью соответственно. Поскольку множество ферментов участвует в регуляции метаболизма углерода и азота, это разделение влечет за собой временную регуляцию многих ферментов и процессов в этих бактериях. В соответствии с этим, многие гены, участвующие в азотфиксации и фотосинтезе, демонстрируют различия в транскрипции между днем ​​и ночью. Эта разница в экспрессии генов между световым и темным периодами для генов, участвующих в фиксации азота, была примерно в десять раз больше, чем для генов, участвующих в фотосинтезе, что свидетельствует о более стабильных фотосистемах по сравнению с нитрогеназой у этих бактерий. Экспрессия многих генов, участвующих в азотфиксации и фотосинтезе, отслеживалась индивидуально. К ним относятся гены, кодирующие белки nifH, nifX, глутаматсинтетазу, ntcA, glnB-подобные белки и glgP, все из которых играют важную роль в фиксации азота. Экспрессия всех этих генов была на пике в начале темного периода и была минимальной в ранний светлый период. Кроме того, гены, кодирующие фотосинтетические белки, такие как фотосистема I, субъединица VII (psaC), фотосистема II, белок D1 (psbA1) и комплексный белок, выделяющий кислород фотосистемы II (psbO), и glgA демонстрировали две вариации в экспрессии, с самой высокой и самой низкой экспрессией в дневное и ночное время, соответственно. Около 30% генома Crocosphaera watsonii обнаруживают две вариации в экспрессии, что указывает на его важность. Все эти закономерности указывают на временное разделение фотосинтеза и азотфиксации у Crocosphaera watsonii.

Другой метод, с помощью которого Crocosphaera watsonii защищает свои азотфиксирующие ферментные комплексы, который является уникальным для этого вида, заключается в его способности отключать фотосистему II. Когда культуры Crocosphaera watsonii подвергаются различным световым режимам, цикл между светом и темнотой, регулирующий азотфиксацию, нарушается. Поскольку диазотрофы способны фиксировать азот в присутствии света, особенно в периоды перехода от светлого к темному периоду, должны быть другие методы, с помощью которых они защищают себя в присутствии кислорода. Crocosphaera watsonii делает это, жестко ограничивая выделение кислорода несколькими способами. Он обладает способностью отключать механизмы фотосистемы II в темные периоды, уменьшая собственный пул пластохинонов. Пластохинон (PQ) является важным белком в системе переноса электронов, и за счет ограничения количества доступного пластохинона, Фотосистема II по существу отключен. Клетка достигает этого, изменяя окислительно-восстановительное состояние пластохинона в темноте. Crocosphaera watsonii также замедляет скорость своего переноса электронов ближе к темному периоду, и клетка переходит сама по себе, чтобы отключить свою фотосистему. Также показаны фикобилисомы, которые являются светособирающими комплексами для фотосистемы II. для прикрепления к фотосистеме I в ночное время, добавляя дополнительный уровень защиты к ее азотфиксирующему оборудованию. Другой метод временного отключения фотосистемы II, который использует Crocosphaera watsonii, - это дезактивация белка D1. Белок D1 образует реакционный центр фотосистемы II и важен, так как связывает хлорофилл. Мутируя и, таким образом, дезактивируя D1, фотосистема II также отключается, позволяя происходить фиксации азота. Регулирование фотосистемы II у Crocosphaera watsonii - быстрый процесс, и при необходимости он может быть немедленно инактивирован или активирован. Рециркуляция одних и тех же молекул железа как в фотосинтезе, так и в азотфиксации также помогает усилить двойной цикл фотосинтеза и азотфиксации.

Crocosphaera watsonii, которая вносит значительный вклад в фиксацию азота в океане, ограничена железом, как и другие морские диазотрофы. Причина этого в том, что фермент, отвечающий за фиксацию азота у диазотрофов, нитрогеназа, использует железо в качестве кофактора. Чтобы преодолеть проблему нехватки железа, Crocosphaera watsonii разработала уникальный механизм, который включает сокращение запасов металлоферментов. В этом механизме металлоферменты будут синтезироваться только тогда, когда они необходимы, и будут разлагаться, как только они больше не будут нужны, и в этом процессе связанное железо перерабатывается. Таким образом, меньше железа поглощается излишне металлоферментом, когда он неактивен, и железо можно использовать в других процессах, таких как фиксация азота нитрогеназой. Этот механизм снижает потребность Crocosphaera watsonii в железе до 75%, но требует затрат энергии. Эта энергия обеспечивается высокоэнергетическими молекулами углерода, производимыми в течение светового периода посредством фотосинтеза.

Еще одно ограничение, с которым сталкивается Crocosphaera watsonii, - это ограничение фосфора. Поскольку Crocosphaera watsonii обитает в олиготрофных водах, она может быть ограничена множеством питательных веществ, включая растворенный неорганический фосфат. Фосфат необходим во многих клеточных процессах, включая фотосинтез, где он является неотъемлемой частью его механизмов. Фосфор также является ключевым требованием для фиксации азота. Изучая реакцию Crocosphaera watsonii на ограничение фосфора, можно также изучить влияние на фиксацию азота. Crocosphaera watsonii показала снижение фотосинтетической эффективности при ограничении фосфором. В отличие от большинства цианобактерий, Crocosphaera watsonii не регулирует использование фосфатов и метаболизм внутри клетки в условиях низкого уровня фосфатов. Вместо этого Crocosphaera watsonii использует pstS, белок, который имеет высокое сродство к связыванию с фосфором. Показано, что во время фосфорного стресса Crocosphaera watsonii имеет повышенные уровни транскрипции pstS. Это защитная реакция Crocosphaera watsonii на более низкие уровни фосфора для более эффективного поглощения. В то время как увеличение уровней pstS соответствует более низким концентрациям фосфора вокруг клеток, концентрации транскриптов pstS не имеют никакого отношения к концентрациям фосфора. Уровни транскрипта PstS у Crocosphaera watsonii вместо этого соответствуют диэльскому циклу, достигая пика в конце световой фазы. Другой метод измерения фосфорного стресса у Crocosphaera watsonii - изучение концентрации мышьяка в клетке. Поскольку количество фосфора ограничено, внутри клетки также накапливается мышьяк. В ответ Crocosphaera watsonii будет активировать уровни arsB, что приведет к удалению избыточного мышьяка из клетки. При совместном рассмотрении они могут сказать нам о состоянии клеток в данной популяции Crocosphaera watsonii.