Små samarbeten mellan alger och bakterier i havet kastar nytt ljus över evolutionen

Det mikroskopiska samspel som sker mellan alger och bakterier i havet avslöjar hur bakterier successivt förlorar gener och utvecklar ett ökande beroende av sin värdalg. Variationen i hur nära bakterie och alg samspelar ger också möjligheter att studera evolution medan den pågår. Det visar en ny studie publicerad i Current Biology. Förhoppningen är att kunskapen ska kunna användas inom jordbruket, till exempel för att ta fram kvävefixerande grödor.

I några av våra havs mest näringsfattiga vatten pågår små samarbeten som håller livet igång. Dessa samarbeten, så kallade symbioser, sker mellan mikroskopiska kiselalger och en viss typ av bakterier, cyanobakterier, som kan ta kväve ur luften och omvandla det till en form som andra organismer kan använda.

– Vi har studerat cyanobakterier av släktet Richelia, vars främsta uppgift i symbiosen är att förse sina kiselalg-värdar med kväve. Kiselalgerna har i sin tur en mycket aktiv fotosyntes – den process som växter, alger och vissa bakterier använder för att fånga solenergi och omvandla koldioxid till kemisk energi, ofta i form av socker, berättar Rachel Foster som är professor vid Stockholms universitet och en av huvudförfattarna till studien, som leddes av forskare från Stockholms universitet, i samarbete med Sveriges lantbruksuniversitet och Linnéuniversitetet.

Evolution i olika stadier

Relationerna mellan cyanobakterierna Richelia och deras kiselalg-värdar kan se mycket olika ut. Vissa Richelia sitter fästa på utsidan av värden, andra lever i utrymmet mellan kiselalgens cellvägg och inre membran, och några lever helt inne i algen. Denna gradvisa variation i hur nära organismerna är integrerade har gett forskarna en unik möjlighet att studera evolutionen i olika stadier.

– Generellt sett, ju mer en organism blir beroende av sin värd, desto mer integreras den i värden och börjar förlora genetisk information som värden redan kan tillhandahålla, säger Rachel Foster.

Vesna Grujcic är förstaförfattare till studien och forskare vid Sveriges lantbruksuniversitet samt Stockholms universitet. Hon har jämfört arvsmassan hos olika bakteriearter och analyserat vilka gener som skiljer sig åt mellan de olika arterna.

– I takt med att Richelia blir mer beroende av sina värdar förändras deras arvsmassa mycket. Vi kan se vilka gener som försvinner och vilka som stannar kvar och det ger oss en sällsynt bild av hur symbiosen utvecklas steg för steg. Dessutom, genom att jämföra Richelia med andra kvävefixerande cyanobakterier, kunde vi se liknande mönster av genförlust hos andra symbioser, säger hon.

Arvsmassa i förändring

Genom att jämföra arvsmassan (genomet) hos olika Richelia-bakterier kunde forskarna se hur vissa genetiska skillnader speglar viktiga steg i deras utveckling.

– Det som är mest spännande är att vi kan se flera olika steg mot ett fullt beroende på samma gång. Det gjorde det möjligt för oss att undersöka vilka gener som styr hur en organism gradvis blir helt beroende av sin värd, säger Daniel Lundin som är medförfattare och forskare vid Linnéuniversitetet.

Forskarna såg också att graden av integration mellan Richelia och deras värdar inte bara påverkade arvsmassans storlek och geninnehåll, utan också andelen kodande regioner – de delar av DNA som bär instruktioner för att tillverka proteiner.

– Att titta på icke-kodande DNA, till exempel mellanrummen mellan gener och trasiga gener som inte längre fungerar, säger oss också mycket om deras evolutionära resa, säger Maliheh Mehrshad från Sveriges lantbruksuniversitet.

Rollen av "hoppande gener"

Forskarna studerade också så kallade transposoner – bitar av DNA som kallas för ”hoppande gener” eftersom de kan flytta genetisk information inom genomet.

Tidigare har forskarna sett att arvsmassan hos de delvis integrerade bakterierna, de som lever inklämda mellan kiselalgens yttre cellvägg och det inre cellmembranet, bara är marginellt mindre än hos de som fäster på utsidan av värdkiselalgen.

– Vi förstod inte varför de delvis integrerade bakterierna hade så stort genom trots att de saknar flera funktioner. Medförfattare Theo Vigil-Stenman kunde visa att deras genom innehöll en mängd rörliga transposoner som gjorde att arvsmassan blev större utan att tillföra några nya funktioner, berättar Rachel Foster.

En modell för att studera evolution hos gener

– Våra resultat ger en unik inblick i evolutionen medan den pågår. Samarbetet mellan Richelia och kiselalger är en bra modell för att studera evolutionen av gener i en symbios, säger Vesna Grujcic.

Mycket återstår dock att lära sig om hur generna hos värd-kiselalgerna påverkas i symbioser och hur modellen kan användas inom andra områden. Förhoppningen är att kunskapen ska kunna användas inom jordbruket, till exempel för att ta fram kvävefixerande grödor.

Om studien

Studien "Stepwise genome evolution from a facultative symbiont to an endosymbiont in the N2-fixing diatom-Richelia symbioses" är publicerad i den vetenskapliga tidskriften Current Biology.

DOI: 10.1016/j.cub.2025.08.003

Kontakt

Rachel A Foster, professor på Institutionen för ekologi, miljö och botanik vid Stockholms universitet
rachel.foster@su.se, 070-2238323

Vesna Grujcic, forskare vid Sveriges lantbruksuniversitet
vesna.grujcic@slu.se, 072-1693774