Notícias

Jul 20, 2023

Dissociação das taxas de respiração e abundância no procarioplâncton marinho

Nature volume 612, páginas 764–770 (2022)Cite este artigo A troca de CO2 oceano-atmosfera depende em grande parte do equilíbrio entre a fotossíntese microbiana marinha e a respiração. Apesar de vasto

Nature volume 612, páginas 764–770 (2022)Cite este artigo

A troca de CO2 oceano-atmosfera depende em grande parte do equilíbrio entre a fotossíntese microbiana marinha e a respiração. Apesar da vasta diversidade taxonómica e metabólica entre bactérias planctónicas marinhas e archaea (procarioplâncton)1,2,3, a sua respiração é geralmente medida em massa e tratada como uma 'caixa preta' em modelos biogeoquímicos globais4; isto limita a compreensão mecanicista do ciclo global do carbono. Aqui, usando uma tecnologia para análises fenotípicas integradas e sequenciamento genômico de células microbianas individuais, mostramos que as taxas de respiração específicas das células diferem em mais de 1.000× entre os gêneros de procarioplâncton. Descobriu-se que a maior parte da respiração era realizada por membros minoritários do procarioplâncton (incluindo o aglomerado Roseobacter), enquanto as células das linhagens mais prevalentes (incluindo Pelagibacter e SAR86) apresentavam taxas de respiração extremamente baixas. A dissociação das taxas de respiração da abundância entre as linhagens, contagens elevadas de transcritos de proteorodopsina nas células Pelagibacter e SAR86 e respiração elevada de SAR86 à noite indicam que a fototrofia baseada em proteorodopsina provavelmente constitui uma importante fonte de energia para o procarioplâncton e pode aumentar a eficiência do crescimento. Estas descobertas sugerem que a dependência do procarioplâncton na respiração e na remineralização do carbono orgânico derivado do fitoplâncton em CO2 para as suas necessidades energéticas e crescimento pode ser menor do que normalmente se supõe e variável entre as linhagens.

A abordagem da caixa preta para a respiração do procarioplâncton apresenta um forte contraste com a evidência esmagadora da considerável diversidade filogenética e genômica do procarioplâncton e das vastas diferenças nas taxas de crescimento e absorção de substrato orgânico entre as linhagens, conforme indicado pela hibridização in situ por fluorescência por microautoradiografia (MAR -FISH)8, espectrometria de massa de íons secundários em nanoescala FISH (nanoSIMS)9 e sondagem de isótopos estáveis ​​(SIP)10. Alguns dos processos metabólicos previstos pelo genoma, como a fototrofia baseada na proteorodopsina, podem ter um efeito direto na respiração do procarioplâncton e na libertação de CO2 para a atmosfera, mas a sua importância global permanece pouco limitada. Aqui desenvolvemos um método para medições integradas da taxa de respiração de oxigênio in situ e sequenciamento genômico de células microbianas individuais para mostrar que as taxas de respiração diferem em mais de três ordens de grandeza entre os gêneros de procarioplâncton. Nossos resultados fornecem evidências da importância da fototrofia da proteorodopsina como fonte de energia complementar à respiração em linhagens procarioplâncton predominantes e seu impacto potencial no ciclo global do carbono. Estas descobertas demonstram a viabilidade de ligar diretamente genomas e fenômenos microbianos na resolução unicelular e enfatizam a importância de quebrar a caixa preta do procarioplâncton marinho em componentes funcionalmente mais significativos em modelos de ecossistemas.

O RedoxSensor Green (RSG) já foi utilizado em estudos laboratoriais e ambientais de diversos microrganismos como uma sonda de viabilidade celular específica para a atividade da oxidorredutase . Para avaliar a viabilidade do uso de RSG de maneira quantitativa, analisamos a relação entre o consumo de oxigênio em massa e a fluorescência de RSG unicelular em culturas puras de bactérias aquáticas filogeneticamente diversas (o fluxo de trabalho metodológico é ilustrado em Dados Estendidos Fig. 1 e Tabela Suplementar 1). As células da fase estacionária variaram na intensidade de fluorescência do RSG em todas as culturas (Extended Data Fig. 2a), indicando heterogeneidade fisiológica consistente com estudos anteriores, mas eram distintas dos controles negativos (Extended Data Fig. 2b). A fluorescência média por célula correlacionou-se com a taxa média de consumo de oxigênio por célula dentro da faixa analisada (cerca de 1–1.000 amol O2 por célula por h, R2 = 0,86), sem evidência de vieses taxonômicos (Fig. 1a). Esta calibração de cultura permitiu o uso da intensidade de fluorescência RSG como um proxy para a taxa de respiração de uma célula individual.