Как диатомовые водоросли отреагируют на повышение уровня углекислого газа, пока неизвестно. Новое исследование Вашингтонского университета и Института системной биологии Сиэтла, опубликованное 15 июня в журнале Nature Climate Change, обнаруживает генетические способы, которыми обычные виды диатомей приспосабливаются к внезапному и долгосрочному увеличению углекислого газа.
«Есть определенные гены, которые сразу реагируют на изменение содержания CO2, но изменение метаболизма на самом деле не происходит, пока вы не дадите диатомовым водорослям некоторое время для акклиматизации», — сказала первый автор Гвенн Хеннон, докторант в океанографии UW.Понимание генетического механизма реакции диатомовых водорослей на повышение содержания углекислого газа из-за сжигания ископаемого топлива может помочь предсказать будущее мирового океана и определить, какую роль диатомовые водоросли могут играть в будущей атмосфере Земли.Многие наземные растения и другие фотосинтезирующие организмы растут быстрее с большим количеством CO2. Удивительно, но предыдущее исследование Хеннона показало, что при типичных уровнях питательных веществ диатомовые водоросли просто расслабляются и расслабляются.
«Вместо того, чтобы использовать эту энергию CO2 для ускорения роста, они просто перестали собирать столько энергии света посредством фотосинтеза и стали меньше дышать», — сказал Хеннон.Новое исследование показывает, как и почему это происходит. Хеннон выращивал обычные виды диатомей в лаборатории в контролируемых условиях, имитирующих обычные условия океана, где рост диатомей ограничен доступностью азота. В одном сценарии она постепенно увеличивала углекислый газ в течение четырех дней.
В другом сценарии она ухаживала за своими невидимыми обитателями аквариума около месяца, позволяя примерно 15 поколениям диатомовых приспособиться к уровню CO2, достигающему 800 частей на миллион, которого атмосфера Земли может достичь к 2100 году.Когда CO2 внезапно резко возрастает, как это может произойти во время внезапного изменения океанских течений, эти диатомовые водоросли производят сигнальную молекулу, которая запускает молекулярный каскад событий, снижая энергоемкие процессы, необходимые для концентрации углекислого газа.
Главный фермент фотосинтеза впервые появился в докембрийский период, почти 3 миллиарда лет назад, когда уровень CO2 был чрезвычайно высоким — несколько тысяч частей на миллион.«С тех пор не было другого фермента, который мог бы заменить его, поэтому растения и водоросли, которые фотосинтезируют, имеют фермент, который работает лучше при более высоком уровне CO2, чем у нас сейчас», — сказал Хеннон.
Однако, когда уровень CO2 остается высоким в течение длительного времени, диатомовые водоросли совершают более радикальный метаболический сдвиг. Они уменьшают фотосинтез и дыхание, чтобы сбалансировать энергетический баланс клетки. Другими словами, диатомовые водоросли потребляют меньше энергии, чтобы расти с той же скоростью. Диатомовые водоросли могут использовать существующую световую энергию для более быстрого роста, но только если нет других ограничений на их рост.
«Это действительно зависит от того, где он находится», — сказал Хеннон. «В океанах существует множество ситуаций, когда диатомеи не могут расти быстрее, потому что они ограничены питательными веществами, такими как железо или азот».Старший автор Джинджер Армбраст, профессор океанографии Университета штата Вашингтон, секвенировал полный геном диатомовой водоросли Thalassiosira pseudonana, использованной в этом исследовании в 2004 году. Новая статья основывается на этой работе, а также на растущих генетических знаниях других диатомовых водорослей.
«Мы использовали результаты почти 100 различных общедоступных экспериментов, чтобы идентифицировать эти генетические« иголки в стоге сена »и получить наши первые подсказки относительно того, как диатомовые водоросли обнаруживают повышение концентрации CO2 и реагируют на него», — сказал Армбраст.По словам Хеннона, этот же генетический механизм существует у отдаленно родственных диатомовых водорослей, предполагая, что такая же реакция может происходить у многих видов, обитающих в настоящих океанах.
«Это действительно захватывающе, когда вы находите в лабораторном штамме что-то, что, по вашему мнению, можно было бы обобщить на другие диатомовые водоросли в полевых условиях и, возможно, даже на другой фитопланктон», — сказал Хеннон.В будущих исследованиях может быть рассмотрено, как генетическая перетасовка работает для других видов и в других условиях окружающей среды, а также как она связана с гораздо более медленным процессом генетической эволюции.
«Мы хотим понять, как эти крошечные фотосинтезирующие рабочие лошадки будут реагировать на увеличение концентрации CO2 в наших океанах будущего», — сказал Армбраст.