DOOR STEIJN VAN SCHIE - FOTO'S: TYLER COALE & VALENTINA LOCONTE - 12-04-2024 - Evolutiebiologie
Microscopisch beeld van de betrokken alg Braarudospharea bigelowii (boven, vergroting 1000x) en een serie röntgentomografiebeelden van de cel- en organeldeling bij deze alg, met de kern (donkerpaars), chloroplasten (lichtpaars), mitochondriën (groen) en nieuw ontdekte nitroplast (lichtblauw). Beeld: Tyler Coale & Valentina Loconte.
Naast chloroplasten en mitochondriën blijkt er een derde organel dat via endosymbiose in eukaryoten terechtkwam: de nitroplast, die stikstof vastlegt in een eencellige alg.
De eencellige alg Braarudosphaera bigelowii kan zelf atmosferisch stikstof fixeren, met een organel dat is ontstaan uit een stikstoffixerende cyanobacterie. Naast het mitochondrium en de chloroplast is deze zogeheten nitroplast nu het derde bekende organel dat ontstond via endosymbiose: het proces waarbij eukaryoten de bacteriën waarmee ze samenwerken kapen en als organel in hun cellen integreren. Dat concludeert een internationale groep microbiologen op 12 april in Science. Stikstofvastlegging is daarmee niet meer het exclusieve domein van prokaryoten.
SYMBIOSE
Om stikstof als voedingsbron te kunnen gebruiken, zijn planten afhankelijk van stikstofvastleggende bacteriën. De bacteriën zetten daarbij atmosferisch stikstof om naar een voor planten werkbare vorm, zoals ammonium, in ruil voor vastgelegde koolstof. Dergelijke symbiotische relaties zijn wijdverspreid in de natuur en de enige weg waarlangs atmosferische stikstof in biomassa terecht kan komen. Om meer inzicht te krijgen in deze vaak complexe samenwerkingen, richten de biologen zich op de (veronderstelde) symbiotische relatie tussen de coccolithofoor B. bigelowii en de cyanobacterie Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A). Ze maken daarbij onder meer subcellulaire afbeeldingen van celmorfologie en -deling van de B. bigelowii en volgen de ontwikkeling van nucleus, mitochondrium, chloroplast en de cyanobacterie. Daaruit blijkt dat er sprake is van een strak gecoördineerde celcyclus, waarbij alle vier de componenten tijdens de celdeling gelijkmatig over de dochtercellen worden verdeeld. UCYN-A is daarmee net zo goed geïntegreerd in de algencel als de andere drie organellen, claimen de biologen. Na proteomische en genomische analyses blijkt bovendien dat eiwitten voor UCYN-A gecodeerd staan in de nucleus van B. bigelowii en dat translatie plaatsvindt in het cytoplasma van de alg. Daarna verplaatsen de eiwitten zich richting nitroplast. Complementaire metabolische pathways zijn bovendien incompleet in het genoom van de cyanobacterie, waaronder de synthese van enkele aminozuren en nucleotiden.
Microscoopopname (1000x vergroot) van het gecalcificeerde stadium coccolithofore alg Braarudosphaera bigelowii, bedekt met pentalithen. Foto: Kyoko Hagino.
Al met al wijst het erop dat UCYN-A door evolutionaire processen zijn rol en functie als endosymbiont achter zich heeft gelaten, en als eukaryotisch organel onder de volledige controle staat van zijn gastheer. ‘Deze nieuwe data laten zien dat stikstoffixatie niet langer een exclusief prokaryotische functie is en dat eukaryoten moleculair stikstof kunnen fixeren via een nitroplast’, schrijft de Amerikaanse microbioloog Ramon Massana in een bijgevoegd perspective. ‘De nitroplast is daarmee een klassiek voorbeeld van een eukaryotisch organel dat de energie-, koolstof- en stikstofbehoeftes van zijn algengastheer aanvult. Met verloop van tijd zou de nitroplast zomaar zijn weg kunnen vinden naar andere geslachten via secundaire symbiose, waarmee stikstoflevering in verre eukaryoten wordt veiliggesteld.’