Simbiosi tra UCYN-A e Braarudosphaera bigelowii: un modello per lo studio dell'evoluzione del mutualismo

In the aquatic environment, the fixation of N2 is a fundamental process in the nitrogen cycle. This reaction is carried out by diazotrophs, most of which consist of cyanobacteria. One of these is UCYN-A, a diazotroph in endosymbiosis with the haptophyte alga Braarudosphaera bigelowii lacking the Calvin cycle, photosystem II and Krebs cycle genes. UCYN-A supplies ammonium to the host, which in turn supplies carbon to the symbiont. This diazotroph, unlike other unicellular cyanobacteria, fixes nitrogen during the day, which is unusual as nitrogenase, the enzyme responsible for nitrogen fixation, is inactivated by oxygen, which is usually present inside the cell during daylight hours due to oxygenic photosynthesis; therefore, in order for nitrogenase to function during daylight hours, a mechanism is put in place by the cyanobacterium to immobilise oxygen through the Meheler reaction. Furthermore, it was shown that UCYN-A has a daily pattern of expression characterised by precise peaks during the day. However, as the symbiont lacks two of the three genes that regulate the circadian cycle, it was guessed that the latter is regulated both by the presence of light, but above all by the productivity of the host; this means that, depending on the metabolites assimilated by the symbiont, the transcription of some genes is activated rather than others. Different clades of UCYN-A were then identified: UCYN-A1, UCYN-A2 and UCYN-A3. By studying mainly the first two, several differences were revealed at both morphological and gene levels. It was also discovered that only UCYN-A2 has B. bigelowii as its host, while UCYN-A1 is in symbiosis with a haptophyte alga phylogenetically close to the former. Further progress was made with the cultivation of the UCYN-A2-B. bigelowii symbiosis in the laboratory. Thanks to this, it was possible to observe the organisation of the cell in its various phases, particularly during cell division, which was found to be finely synchronised between the two organisms. The presence of a targeting peptide that directs proteins produced by the host towards UCYN-A2 was then identified. Subsequently, the radial relationship of host and symbiont in relation to the optimisation of their metabolic exchanges was also studied; it was found to be very similar to that of mitochondria and chloroplasts. The latter research confirms the presence in UCYN-A2 of all the features necessary for organellogenesis: the loss of redundant genes between host and symbiont, the presence of a targeting peptide and a coordinated division cycle between the two organisms. Although UCYN-A2 does not have as close a relationship with its host as mitochondria and chloroplasts, it can still be called a nitrogen-fixing proto-organelle or nitroplast.

In ambiente acquatico, la fissazione di N2 è un processo fondamentale del ciclo dell’azoto. Tale reazione è compiuta dai diazotrofi, i quali sono costituiti per la maggior parte da cianobatteri. Uno di questi è UCYN-A, un diazotrofo in endosimbiosi con l’alga aptofita Braarudosphaera bigelowii privo dei geni del ciclo di Calvin, del fotosistema II e del ciclo di Krebs. UCYN-A fornisce l’ammonio all’ospite che a sua volta procura il carbonio al simbionte. Questo diazotrofo a differenza di altri cianobatteri unicellulari fissa l’azoto durante il giorno, il che è insolita poiché la nitrogenasi, l’enzima responsabile dell’azoto-fissazione, viene inattivata dall’ossigeno, che solitamente è presente all’interno della cellula nelle ore diurne per via della fotosintesi ossigenica; per riuscire quindi a far funzionare la nitrogenasi durante le ore di luce viene messo in atto dal cianobatterio un meccanismo per immobilizzare l’ossigeno attraverso la reazione di Meheler. Inoltre, è stato evidenziato che UCYN-A ha un pattern giornaliero di espressione caratterizzato da picchi precisi durante la giornata. Essendo però il simbionte sprovvisto di due dei tre geni che regolano il ciclo circadiano, si è intuito che quest’ultimo è regolato sia dalla presenza della luce, ma soprattutto dalla produttività dell’ospite; questo significa che, in base ai metaboliti che vengono assimilati dal simbionte, viene attivata la trascrizione di alcuni geni piuttosto che di altri. Sono poi stati individuati clade differenti di UCYN-A: UCYN-A1, UCYN-A2 e UCYN-A3. Studiando principalmente i primi due sono state evidenziate parecchie differenze sia a livello morfologico che a livello genico. Si è inoltre scoperto che solo UCYN-A2 possiede come ospite B. bigelowii, mentre UCYN-A1 è in simbiosi con un’alga aptofita filogeneticamente vicina alla prima. Un ulteriore progresso è avvenuto con la coltivazione in laboratorio della simbiosi UCYN-A2-B. bigelowii. Grazie a ciò si è riusciti a osservare l’organizzazione della cellula nelle sue varie fasi, in particolare durante la divisione cellulare, che si è scoperto essere finemente sincronizzata tra i due organismi. Si è poi individuato la presenza di un targeting peptide che indirizza le proteine prodotte dall’ospite verso UCYN-A2. Successivamente è stato anche studiato il rapporto radiale di ospite e simbionte in relazione all’ottimizzazione dei loro scambi metabolici; esso è risultato molto simile a quello di mitocondri e cloroplasti. Queste ultime ricerche confermano la presenza in UCYN-A2 di tutte le caratteristiche necessarie per l’organellogenesi: la perdita di geni ridondanti tra ospite e simbionte, la presenza di un targeting peptide e un ciclo di divisione coordinato tra i due organismi. Per quanto UCYN-A2 non abbia una relazione così stretta con il suo ospite come mitocondri e cloroplasti, può comunque essere definito un proto-organello azoto-fissatore o nitroplasto.