Livsviktig symbios ger nya insikter om klimatet 

Världshaven spelar en viktig roll för jordens klimat. Som Wallenberg Academy Fellow forskar Rachel Foster om marina planktonsamhällen som påverkar kvävets och kolets kretslopp. Hon studerar livsviktiga havsorganismer och avslöjar tidigare okända mekanismer på molekylär nivå.

Rachel Foster 

Docent i mikrobiell oceanologi 

Wallenberg Academy Fellow 2013

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Metaboliska interaktioner i planktons symbioser

Havet har varit en passion för Rachel Foster ända sedan barndomens somrar på stranden. Men det var under en forskningskryssning från Florida till Montserrat som hon slutligt bestämde sig för sitt yrke. Hon tog en mastersexamen i marin miljövetenskap samt avlade en PhD-examen i oceanografi vid Stony Brook University i New York. Under sin tid som doktorand började hon forska om hur havets mikroorganismer samspelar med varandra.

– Båtexpeditionen var en fantastisk upplevelse och jag har följt den känslan sedan dess. Jag älskar verkligen att vara ute på havet. Jag får alla forskningsidéer från mina observationer där ute.

En stor del av forskningen ägnar Foster åt symbiosen och näringsutbytet mellan kiselalger och kvävefixerande cyanobakterier. Kiselalger i havet står för tjugo procent av syret vi andas in och utgör föda för många smådjur som sedan blir föda för fisk. Men dessa små alger spelar också en viktig roll i havets kol- och kvävecykler.

Fascinerande partnerskap 

Kväve är nödvändigt för att livet ska kunna existera, men tillgången är låg i stora delar av haven. Kiselalgerna kan inte själva omvandla kvävgas utan är helt beroende av cyanobakteriernas kvävefixerande förmåga. Tillsammans bildar de massiva blomningar i delar av världshaven. Foster vill öka förståelsen för hur dessa två mikroorganismer samverkar.

– De här organismerna trivs egentligen bäst i kustområden, men efter att de formade ett partnerskap har det möjliggjort en flytt ut till det öppna havet. Vad vi ser är troligen en framgångsrik modell för samevolution.

En symbios innebär ett komplicerat beroendeförhållande mellan värd och gäst som är fascinerande att utforska. 

– Systemet som jag studerar är en sammanhängande helhet av cellulär integration, allt från att organismernas celler lever på utsidan till att de är delvis integrerade och till att de har trängt in i cellernas membran.

Foster vill skapa en helhetsbild av organismernas gemensamma liv genom att använda en uppsjö metoder: allt från analyser i mikroskop ute till havs till avancerade molekylära tekniker och masspektrometri i labbet.

– Våra resultat tyder på att kiselalgerna kan kontrollera cyanobakteriernas näringsomsättning. Troligen får cyanobakterierna kol från kiselalgen, vilket ger energi för att kunna utföra kvävefixeringen. 

En fråga handlar om på vilket sätt organismerna delar resurser.

– Vi har sett att de i viss grad tävlar om liknande näringsämnen. Ett av de viktigaste ämnena är järn. Det behövs till fotosyntesen, men också för att fixera kväve. 

Olika gener reglerar järnupptaget. En framtida uppgift är att ta reda på om värden har förmågan att modifiera genomet, till exempel att skala upp eller ner antalet gener i syfte att hantera den inneboende gästen. Kanske överförs gener mellan parterna, ett vanligt fenomen i symbioser.

”Anslaget Wallenberg Academy Fellow har tagit min forskning till en nivå som inte vore möjlig utan detta stora ekonomiska stöd. Supporten från Fellowprogrammet underlättar att ”tänka utanför ramarna”. Jag har fått en chans att utforska nya metoder och hämta kunskap utanför mitt eget forskningsfält, vilket är ovärderligt.”

Storskalig karta av planktonsamhällen

Tillsammans med internationella kollegor har Rachel Foster skapat en global karta över marina planktonsamhällen. Översikten bygger på en storskalig provtagning under fyra års tid på över 200 platser i viktiga regioner i världshaven. På varje plats togs DNA-prover från tre olika djup. Vid vissa stationer kombinerades DNA-prover med bilder från mikroskop. 

Resultatet är en databas som innefattar över två miljoner bilder och ett stort antal DNA-sekvenser. Foster och hennes kollegor använde egna mikroskopibilder för att skapa en modell i syfte att förutsäga lokaliseringen av kiselalgsymbioserna med hjälp av bildigenkänningsteknik. Samtidigt kunde de spåra gensekvenser från symbionterna i DNA-proven.

– Platserna som mikroskopibilderna förutsade matchar DNA-sekvenserna överraskande väl. Det visar sig att bildigenkänning kan användas som ett nytt och kraftfullt verktyg för att göra nya observationer utan att vi ens behöver lämna labbet.

Översikten har resulterat i upptäckten av nya hotspots för kvävefixerare, särskilt i Indiska oceanen som är ett av de minst utforskade haven. Det gjordes också ett överraskande fynd av ultrasmå kvävefixerare, mindre än 0,2 mikrometer.

– Vi kunde även utifrån genetiska analyser identifiera tidigare okända symbionter i färskvattenmiljöer. Forskningsläget flyttas hela tiden framåt, säger Rachel Foster.

En ny förståelse av klimatet

Förhoppningen är att ökad kunskap om relationen mellan kiselalgen och cyanobakterien ska hjälpa oss att förstå kvävets och kolets kretslopp och ge nya insikter om klimatet.

– Vi undrar ofta över vad som ska hända med jordens biologi i ett framtida klimat. Kanske kommer denna sorts symbios att ha en fördel eftersom vi har bevis för att dessa symbioser utvecklades vid en tid av extremt höga koldioxidkoncentrationer. Det är särskilt intressant att studera dessa celler ur en evolutionär synvinkel.

En annan vision är att dra nytta av mikroorganismer i havet som ett modellsystem för att modifiera olika markbundna grödor.

– Kanske blir det möjligt att överföra funktioner från marina system, som har utvecklats under hundratusentals år, till jordbruksgrödor. Jag skulle gärna samarbeta med forskare i syntetisk biologi för att se om dessa planktoniska system kan vara till hjälp i strävan att modifiera växter med mikrobiella gener för kvävefixering. 

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström