Metabolic trade-offs는 nitrogen-fixing symbiosis에서 cell size ratio를 제한합니다.
Abstract
Biological dinitrogen (N2) fixation은 prokaryotes이 독점적으로 수행하는 key metabolic process이며, 그중 일부는 eukaryotes과 공생합니다. marine haptophyte algae인 Braarudosphaera bigelowii Species는 N2-fixing endosymbiotic cyanobacteria UCYN-A를 보유하고 있으며, 이는 evolving organelle-like characteristics를 가지고 있을 수 있습니다.
우리는 UCYN-A와 숙주 사이의 크기 비율이 sublineages/species에 걸쳐 놀랍도록 보존되어 있으며, 이는 이 공생관계 및 다른 종의 organelles의 크기 관계와 일치한다는 것을 발견했습니다. Metabolic modeling은 이러한 크기 관계가 resource acquisition과 exchange 사이의 trade-offs에 따라 조정된 성장률을 극대화한다는 것을 보여주었습니다.
우리의 연구 결과는 unicellular eukaryotes에서 N2-fixing endosymbionts와 organelles의 크기 관계가 예측 가능한 metabolic underpinnings에 의해 제약을 받는다는 것과 UCYN-A가 여러 측면에서 가상의 N2-fixing organelle (또는 nitroplast)처럼 기능하고 있다는 것을 보여줍니다.
Figures
UCYN-A와 host 간의 Strong size relationship
Figure 1. 비겔로위/UCYN-A symbiosis에서의 Linear volumetric scaling
(A) UCYN-A와 공생하는 haptophyte B. bigelowii의 Light microscopy image.
(B) 상단 패널: haptophyte cell volume에 대한 UCYN-A volume (sublineages UCYN-A1, -A2 및 -A3); 아래 패널: haptophyte cell volume에 대한 chloroplast volume;
아래 패널에 inset된 패널: UCYN-A volume vs. chloroplast volume.
(C) 다양한 UCYN-A sublineages의 크기 범위를 보여주는 catalized reporter deposition fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH)
[Figure 1A] Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A)로, organelle-like characteristics으로 진화하고 있다. UCYN-A는 haptophyte microalga인 Braarudosphaera bigelowii와 밀접하게 관련된 endosymbionts임.
[Figure 1C] 해양과 연안 환경에서 밀접하게 관련된 B. bigelowii species는 세포 길이에 큰 편차(2~3μm에서 최대 20~30μm)를 보이며 genetically하게 구별되지만 밀접하게 관련된 UCYN-A sublineages (UCYN-A1, -A2 및 -A3 sublineages)을 보유하고 있으며, effective cell radius는 10배까지 다양함.
[Figure 1B] symbiotic pairs(N = 167)에서 세 가지 다른 UCYN-A sublineages (UCYN-A1, UCYN-A2, UCYN-A3), symbiotic haptophyte partner cells 및 해당 chloroplasts의 크기를 측정하고 biovolumes을 추정.
haptophyte cells (B. bigelowii + UCYN-A)의 total volume과 host 내에서 UCYN-A가 차지하는 부피 사이에 선형 관계를 나타냈다. 또한 서로 다른 sublineages 내에서도 일관되게 유지되는 선형 관계를 확인했으며 이는 effective haptophyte cell과 UCYN-A의 average ratio (RH/RD) [Figure 2C]과 일치.
size relationship의 Metabolic constraints 조건
– size relationship이 resource acquisition과 교환의 분업에 따른 생리적 제약 하에서 synchronized growth rate의 극대화를 반영한다는 가설을 세움
Figure 2. metabolic model은 B. bigelowii /UCYN-A symbiosis를 위한 최적의 size ratio를 예측합니다.
(A) B. bigelowii /UCYN-A symbiosis에서 resource acquisition과 exchange에 대한 개념도.
(B) symbiosis의 Predicted growth rate에 대한 haptophyte과 UCYN-A의 effective spherical radii의 비율, RH/RD.
(C) UCYN-A sublineages 내 및 전체에 걸쳐 각 개별 symbiotic pair에 대해 관찰된 haptophyte와 UCYN-A의 radii ratio 분포.
[Figure 2A] host와 symbiont의 cell division rates가 동기화되고, fixed C와 N이 각각 haptophyte와 UCYN-A에 의해 독점적으로 공급되며, 다른 원소 자원이 제한되지 않는다고 가정하는 수학적 모델을 공식화함.
UCYN-A로의 산소 유입은 nitrogenase inactivation 없이 N2 fixation과 생합성을 유지하기에 충분하다고 가정
이 모델은 정상 성장을 가정하여 photosynthetic C acquisition이 limiting factor인 경우의 potential growth rate와 N2 fixation이 limiting factor인 경우의 potential growth rate의 관계를 각각 effective haptophyte cell와 UCYN-A 반지름인 RH/RD의 비율과 관련하여 예측함.
* μmaxC : C-limited growth rate
* μmaxN : N-limited growth rate
* PmaxC와 NmaxN(day-1) : 각각 경험적으로 제약된 maximum specific C 및 N fixation rates
* β (= 0.93927) : C quota와 cell volume과 관련된 경험적 계수
[Figure 2B] symbiosis의 C-limited growth rate (blue line)은 low radius ratios에서 UCYN-A symbiosis를 지원하는 데 드는 symbiosis의 cost가 높을 때 급격히 증가하고, symbiosis가 충분히 커져서 UCYN-A의 C demand가 자체 요구량에 비해 작아지면 포화 상태에 이릅니다. 반대로, small diazotroph가 자신과 훨씬 더 큰 host 모두에 공급할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 N2를 고정할 수 없기 때문에 N-limited growth (red line)은 haptophyte-UCYN-A size ratio가 증가함에 따라 급격히 감소함.
달성 가능한 성장률은 점선으로 표시된 회색 선으로 표시되며, C- 및 N-limited가 교차하는 지점에서 최대치를 나타냄.
[Figure 2B, C] predicted optimal radius ratio, (RH/RD)opt = 2.47(+0.27/-0.18)은 B. bigelowii/UCYN-A symbiosis에서 관찰된 highly conserved radius ratio (2.33 ± 0.20)과 일치하며 UCYN-A sublineage size와 무관함.
predicted optimum ratio은 매개변수 값의 불확실성과 radius ratio의 함수로서 C- 및 N limited growth rates의 가파르고 반대되는 기울기로 인해 UCYN-A가 light harvesting을 통해 energy demand를 보완할 가능성이 존재함.
predicted optimum (RH/RD)opt와 관측된 radius ratio (2.47 [+0.27/-0.18] vs. 2.33 [SD = 0.20])의 일치성은 놀랍도록 일관된 크기 관계가 symbiotic resource economy의 근본적인 제약을 반영한다는 가설을 뒷받침함.
broader context에서의 Size evolution
이전에 보고된 다양한 protists의 chloroplasts, mitochondria 및 cell volume에 대한 데이터가 이 연구에서 측정한 UCYN-A 및 B. bigelowii volumes과 함께 표시됨.
[Figure 1B] B. bigelowii의 volume과 total chloroplast volume 사이에도 유사하게 엄격한 size relationship이 존재한다는 것을 확인.
total UCYN-A volume과 haptophyte host의 total chloroplast volume도 선형에 가까운 size relationship을 보임.
[Figure 3] 실제로 관찰된 (RH/RD)opt의 불변성은 다양한 진핵생물 식물 플랑크톤 종에서 mitochondria와 chloroplasts의 total organelle과 cell volume 사이에서 관찰된 isometric 또는 hypoallometric한 power-law relationships과 매우 유사.
현재까지 명확하게 설명되지 않은 cell-organelle size relationships도 유사한 resource economy constraints의 영향을 받는다는 가설세움.
예를 들어, mitochondrion의 크기는 세포 전체에 에너지를 공급하기 위한 maximum respiratory requirement에 의해 제약을 받을 수 있으며, chloroplasts에 대한 investment는 최적화된 성장을 위해 C를 공급하기에 충분해야 할 것임.
[Figure 3] 이 논리를 확장하면, UCYN-A가 여러 측면에서 N2-fixing organelle, 즉 “nitroplast”로 기능한다는 것을 의미.
– mitochondrial 및 chloroplast genomes에서와 마찬가지로 UCYN-A에는 박테리아에서 mRNA translation을 시작하는 데 필요한 methionyl-tRNA formyltransferase encoding (fmt) gene이 없음이 밝혀짐. UCYN-A에 fmt gene이 없다는 것은 haptophyte host가 UCYN-A와 mitochondria 및 chloroplasts에서 동일한 메커니즘을 사용하여 mRNA translation을 제어할 수 있음을 시사함.
대부분의 N2-fixing bacteria는 외부 환경에 따라 N2 fixation을 조절하는 메커니즘을 가지고 있음. UCYN-A는 이러한 제어를 가능하게 하는 유전자를 상실함. 이 때문에 UCYN-A/B. bigelowii symbiosis는 일반적인 N sources인 Nitrate나 ammonium을 상대적으로 적게 흡수하며, fixed C를 chloroplasts에 의존하는 것처럼 UCYN-A를 주요 공급원으로 사용하여 N demands를 충족시킴.
– symbionts와 organelles 사이의 스펙트럼에서 UCYN-A는 organelles의 많은 특성을 나타내며, 이는 nitroplast를 향한 진화 경로를 잘 따르고 있음을 시사
Disscussion
전반적으로, 우리의 연구는 N2-fixing cyanobacterium UCYN-A와 B. bigelowii의 size relationship이symbiotic partners 간의 자원 교환, 즉 coordinated metabolism에 뿌리를 둔 근본적인 제약에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다. UCYN-A 및 기타 N2-fixing spheroid bodies는 진핵생물에서 bacterial-derived organelles의 진화 스펙트럼을 따라 “snapshots”을 보여줍니다. 그러나 이러한 N2-fixing spheroid bodies가 이 궤적에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지는 궁극적으로 단백질 수입 및 수출의 조정과 같은 추가적인 organelle properties를 입증함으로써 밝혀질 것입니다.
