Atelocianobacteria thalassa

La fijación de nitrógeno , que consiste en la reducción de N₂ _a nitrógeno biológicamente disponible, es una fuente importante de N para los ecosistemas acuáticos. Durante muchas décadas, la fijación de N₂ _se subestimó enormemente. La suposición de que la fijación de N₂ _solo ocurría a través de Trichodesmium y Richelia llevó a la conclusión de que en los océanos, la salida de nitrógeno superaba la entrada. Sin embargo, los investigadores descubrieron que el complejo nitrogenasa tiene historias evolutivas variables. El uso de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) eliminó la necesidad de cultivo o microscopía para identificar microorganismos fijadores de N₂ _. Como resultado, se encontraron microorganismos marinos fijadores de N₂ _distintos de Trichodesmium mediante la secuenciación de fragmentos amplificados por PCR del gen nitrogenasa ( nifH ). La nitrogenasa es la enzima que cataliza la fijación de nitrógeno, y los estudios han demostrado que nifH está ampliamente distribuido en las diferentes partes del océano. ^{[ 12 ]}

En 1989, se descubrió una secuencia corta del gen nifH , y 15 años después se reveló que se trataba de una cianobacteria inusual de amplia distribución. ^{[ 13 ]} El microbio recibió originalmente el nombre UCYN-A por "cianobacteria unicelular grupo A". En una investigación publicada en 1998, se amplificaron secuencias de nifH directamente a partir de agua recolectada en los océanos Pacífico y Atlántico, y se demostró que provenían de bacterias, cianobacterias unicelulares nifH , Trichodesmium y simbiontes de diatomeas. ^{[ 10 ]} Mediante el uso de PCR independiente del cultivo y PCR cuantitativa (qPCR) dirigida al gen nifH , los estudios encontraron que A. thalassa se distribuye en muchas regiones oceánicas, lo que demuestra que el plancton oceánico contiene una gama más amplia de microorganismos fijadores de nitrógeno de lo que se creía anteriormente.

La distribución de A. thalassa es cosmopolita y se encuentra en todos los océanos del mundo, incluyendo el Mar del Norte , el Mar Mediterráneo , el Mar Adriático , el Mar Rojo , el Mar Arábigo , el Mar de China Meridional y el Mar del Coral , ^{[ 14 ]} lo que refuerza aún más su importante papel en la fijación de nitrógeno. ^{[ 14 ]} Aunque A. thalassa es ubicua, su abundancia está altamente regulada por varios factores abióticos como la temperatura y los nutrientes. ^{[ 15 ]} Los estudios han demostrado que ocupa aguas más frías en comparación con otros diazotrofos . ^{[ 16 ]}

Hay cuatro sublinajes principales definidos de A. thalassa, a saber, UCYN-A1, UCYN-A2, UCYN-A3 y UCYN-A4 (ver § Diversidad más adelante); los estudios han demostrado que estos grupos están adaptados a diferentes ambientes marinos. ^{[ 2 ]} UCYN-A1 y UCYN-A3 coexisten en aguas oligotróficas de océano abierto, mientras que UCYN-A2 y UCYN-A4 coexisten en aguas costeras. ^{[ 2 ] [ 9 ]} UCYN-A2 se encuentra típicamente en aguas costeras templadas de altas latitudes. Además, también se puede encontrar coexistiendo con UCYN-A4 en cuerpos de agua costeros. Se encontró que UCYN-A3 es más abundante en la superficie del océano abierto en los subtrópicos. Además, hasta ahora solo se ha encontrado que UCYN-A3 coexista con UCYN-A1.

Atelocyanobacterium thalassa se clasifica como fotoheterótrofo . El análisis completo del genoma revela un genoma de tamaño reducido de 1,44 megabases y la falta de vías necesarias para la autosuficiencia metabólica común en las cianobacterias. ^{[ 17 ]} Carece de genes para el fotosistema II del aparato fotosintético , RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) y enzimas del ciclo de Calvin y del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). ^{[ 18 ] [ 19 ]} Debido a la falta de genes metabólicamente esenciales, A. thalassa requiere fuentes externas de carbono y otros compuestos biosintéticos. ^{[ 17 ]} Además, A. thalassa carece del ciclo del ácido tricarboxílico pero expresa un transportador putativo de ácido dicarboxílico. ^{[ 17 ]} Esto sugiere que A. thalassa satisface su requerimiento de ácidos dicarboxílicos a partir de una fuente externa. ^{[ 17 ]} La falta total o parcial de enzimas biosintéticas necesarias para la biosíntesis de valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, tirosina y triptófano sugiere además la necesidad de fuentes externas de aminoácidos. ^{[ 17 ]} Sin embargo, A. thalassa aún posee los genes de transporte de Fe-III ( afuABC ), que deberían permitir el transporte de Fe-III al interior de la célula. ^{[ 3 ]}

Atelocyanobacterium thalassa es un simbionte obligado del alga haptofita calcificante Braarudosphaera bigelowii . ^{[ 1 ]} Los experimentos con isótopos estables revelaron que A. thalassa fija ¹⁵ N ₂ e intercambia nitrógeno fijado con su pareja, mientras que B. bigelowii fijó H ¹³ CO _3- y lo intercambió con A. thalassa . A. thalassa recibe ~16% del carbono total del socio simbiótico y, a cambio, intercambia ~85-95% del nitrógeno fijo total. ^{[ 1 ] [ 20 ]}

Atelocyanobacterium thalassa debe vivir en estrecha asociación física con su socio simbiótico metabólicamente dependiente; sin embargo, los detalles de la interacción física aún no están claros debido a la falta de imágenes microscópicas nítidas. ^{[ 3 ]} Atelocyanobacterium thalassa podría ser un verdadero endosimbionte , completamente encerrado dentro de la membrana celular del huésped, o poseer mecanismos moleculares que permitan una fijación segura y la transferencia de metabolitos. ^{[ 20 ]} Esta conexión simbiótica debe impedir el paso de oxígeno, manteniendo al mismo tiempo un intercambio de nitrógeno y carbono fijados. ^{[ 20 ]} Esta estrecha simbiosis también requiere vías de señalización entre los socios y un crecimiento sincronizado. ^{[ 20 ]}

Se obtuvo un cocultivo estable de UCYN-A2 y su huésped, el cual fue sometido a estudios de imagen. El linaje de "nitroplastos" de UCYN-A2 importa una amplia variedad de proteínas del huésped, activadas por una secuencia señal única, lo que lo somete a un estricto control por parte de la célula huésped. Su ciclo de luz-oscuridad se mantiene sincronizado con el de la célula huésped mediante las proteínas criptocromo del huésped . Varias de sus vías metabólicas solo se completan con la ayuda de proteínas del huésped. ^{[ 7 ]}

Atelocyanobacterium thalassa es unicelular, por lo que no posee compartimentos celulares especializados ( heterocistos ) para proteger la nitrogenasa ( nifH ) de la exposición al oxígeno. Otros organismos fijadores de nitrógeno emplean separación temporal fijando nitrógeno solo durante la noche; sin embargo, se ha descubierto que A. thalassa expresa el gen nifH durante el día. ^{[ 21 ] [ 18 ]} Esto es posible debido a la ausencia del fotosistema II y, por lo tanto, del oxígeno y del control transcripcional. ^{[ 18 ] [ 22 ]} Se hipotetiza que la fijación de nitrógeno diurna es más eficiente energéticamente que la fijación nocturna común en otros diazotrofos porque la energía lumínica puede utilizarse directamente para la fijación de nitrógeno, que requiere mucha energía. ^{[ 22 ]}

Los linajes de A. thalassa se dividen según sus oligotipos determinantes. Existe un alto grado de similitud entre todos los sublinajes en sus secuencias de aminoácidos, pero se encontró cierta varianza en sus secuencias nifH . Los oligotipos de A. thalassa se basan en sus secuencias de nitrogenasa ( nifH ) y revelan trece posiciones de varianza (entropía). ^{[ 2 ]} Las varianzas harían que los diferentes oligotipos/sublinajes de A. thalassa se encuentren en diferentes abundancias relativas y tengan diferentes impactos en los ecosistemas donde se encuentran. Se han identificado cuatro sublinajes principales a partir del análisis de oligotipos, y sus respectivos oligotipos son: UCYN-A1/Oligo1, UCYN-A2/Oligo2, UCYN-A3/Oligo3, UCYN-A4/Oligo4. Se han distinguido hasta 8 sublinajes. ^{[ 24 ]}

UCYN-A1 fue el oligotipo más abundante encontrado en todos los océanos. ^{[ 2 ]} El sublinaje UCYN-A1 tiene una abundancia de nitrogenasa en un rango de 104 a 107 copias de nifH por litro. ^{[ 25 ]} UCYN-A1 y UCYN-A2 también tienen un tamaño de genoma significativamente reducido. UCYN-A2 difiere de UCYN-A1 en que su oligotipado oligo2 tiene 10/13 posiciones de entropía diferentes de oligo1 (UCYN-A1). También tienen huéspedes diferentes. UCYN-A3 difiere de UCYN-A1 con su oligo3 difiere de oligo1 con una diferencia de posición de entropía de 8/13. UCYN-A4 también difiere de UCYN-A1 por 8/13 posiciones de entropía en un conjunto diferente.

Los oligotipos se utilizan porque el gen nifH se detecta más fácilmente en muestras ambientales intactas en comparación con los metagenomas completos , que requieren una mayor cantidad de muestras y trabajo de secuenciación. Sin embargo, cuando están disponibles, los genomas completos pueden mostrar más información. Los genomas completos de los sublinajes A1 y A2, combinados con un enfoque de reloj molecular , muestran que los dos linajes divergieron a finales del Cretácico (hace aproximadamente 90 millones de años), lo cual se corrobora con los registros fósiles de B. bigelowii que se remontan a unos 100 millones de años. Es probable que estos linajes hayan coevolucionado con sus huéspedes. ^{[ 27 ]}

A partir de la versión 10-RS226 de GTDB (abril de 2025), el GenBank del NCBI contiene 8 genomas de A. thalassa con la calidad y completitud suficientes para su análisis. GTDB asigna UCYN-A1 (GCA_000025125.1 + 5 más) y UCYN-A2 (GCA_020885515.1 + 1 más) a dos grupos separados a nivel de especie. ^{[ 29 ]}

Cornejo-Castillo et al ., 2019. nifH , máxima verosimilitud. Taxonomía corregida según NCBI y GTDB cuando corresponda. ^{[ 26 ]}

Cornejo-Castillo et al. , 2019. Filogenómica (165 secuencias codificantes de proteínas), máxima verosimilitud. Taxonomía corregida según NCBI y GTDB cuando corresponda. ^{[ 26 ] : Fig. S6}

El resultado filogenómico se considera más representativo de la historia de vida de los organismos que el resultado del locus único nifH . ^{[ 26 ]}