أتيلوسيانوباكتيريوم ثالاسا

يُعد تثبيت النيتروجين ، أي اختزال النيتروجين الجزيئي (N₂ ₎ إلى نيتروجين متاح بيولوجيًا، مصدرًا هامًا للنيتروجين في النظم البيئية المائية. ولعقود طويلة، تم التقليل من شأن تثبيت النيتروجين _{الجزيئي} بشكل كبير. وقد أدى الافتراض بأن تثبيت النيتروجين _{الجزيئي} يحدث فقط عبر طحالب Trichodesmium و Richelia إلى استنتاج مفاده أن إنتاج النيتروجين في المحيطات يفوق مدخلاته. ومع ذلك، وجد الباحثون أن مركب النيتروجيناز له تاريخ تطوري متنوع. وقد أدى استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) إلى الاستغناء عن الحاجة إلى الاستزراع أو الفحص المجهري لتحديد الكائنات الدقيقة المثبتة للنيتروجين الجزيئي _. ونتيجة لذلك، تم اكتشاف كائنات دقيقة بحرية _مثبتة للنيتروجين الجزيئي، بخلاف Trichodesmium، من خلال تسلسل أجزاء مُضخمة بتقنية PCR من جين النيتروجيناز ( nifH ). والنيتروجيناز هو الإنزيم الذي يحفز تثبيت النيتروجين، وقد أظهرت الدراسات أن nifH منتشر على نطاق واسع في مختلف أنحاء المحيط. ^{[ 13 ]}

في عام 1989، تم اكتشاف تسلسل جيني قصير لـ nifH ، وبعد 15 عامًا، تبيّن أنه بكتيريا زرقاء غير عادية واسعة الانتشار. ^{[ 14 ]} أُطلق على هذا الميكروب في البداية اسم UCYN-A اختصارًا لـ "البكتيريا الزرقاء وحيدة الخلية من المجموعة A". في بحث نُشر عام 1998، تم تضخيم تسلسلات nifH مباشرةً من عينات مياه جُمعت من المحيطين الهادئ والأطلسي، وتبين أنها تعود إلى بكتيريا، وبكتيريا زرقاء وحيدة الخلية تحمل جين nifH ، وطحالب Trichodesmium، وطحالب الدياتومات التكافلية. ^{[ 10 ]} باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) غير المعتمد على الاستزراع وتفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) الذي يستهدف جين nifH ، وجدت الدراسات أن A. thalassa منتشرة في العديد من مناطق المحيط، مما يُظهر أن العوالق المحيطية تحتوي على نطاق أوسع من الكائنات الحية الدقيقة المثبتة للنيتروجين مما كان يُعتقد سابقًا.

ينتشر طحلب الأرابيدوبسيس ثالاسا عالميًا، إذ يوجد في جميع محيطات العالم، بما في ذلك بحر الشمال ، والبحر الأبيض المتوسط ، والبحر الأدرياتيكي ، والبحر الأحمر ، وبحر العرب ، وبحر الصين الجنوبي ، وبحر المرجان . ^{[ 15 ]} مما يعزز دوره المهم في تثبيت النيتروجين. ^{[ 15 ]} ورغم انتشاره الواسع، إلا أن وفرته تخضع لتنظيم دقيق بواسطة عوامل لا حيوية مختلفة، مثل درجة الحرارة والمغذيات. ^{[ 16 ]} وقد أظهرت الدراسات أنه يعيش في مياه أكثر برودة مقارنةً بالكائنات الحية الأخرى المثبتة للنيتروجين . ^{[ 17 ]}

توجد أربعة سلالات فرعية رئيسية محددة من نوع A. thalassa، وهي: UCYN-A1، وUCYN-A2، وUCYN-A3، وUCYN-A4 (انظر قسم التنوع أدناه). وقد أظهرت الدراسات أن هذه المجموعات تتكيف مع بيئات بحرية مختلفة. ^{[ 2 ]} تتعايش السلالتان UCYN-A1 وUCYN-A3 في المياه قليلة المغذيات في المحيطات المفتوحة، بينما تتعايش السلالتان UCYN-A2 وUCYN-A4 في المياه الساحلية. ^{[ 2 ] [ 9 ]} توجد السلالة UCYN-A2 عادةً في المياه الساحلية المعتدلة عند خطوط العرض العليا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن العثور عليها أيضًا متزامنة مع السلالة UCYN-A4 في المسطحات المائية الساحلية. وقد وُجد أن السلالة UCYN-A3 أكثر وفرة على سطح المحيط المفتوح في المناطق شبه الاستوائية. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم العثور حتى الآن إلا على أن UCYN-A3 يتواجد مع UCYN-A1 فقط.

تُصنّف بكتيريا Atelocyanobacterium thalassa ضمن الكائنات الضوئية غيرية التغذية . يكشف تحليل الجينوم الكامل عن جينوم صغير الحجم يبلغ 1.44 ميغابايت، وافتقارها إلى المسارات الأيضية اللازمة للاكتفاء الذاتي، وهي مسارات شائعة في البكتيريا الزرقاء. ^{[ 18 ]} تفتقر هذه البكتيريا إلى جينات النظام الضوئي الثاني في جهاز التمثيل الضوئي ، وإنزيم RuBisCO (ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز/أوكسيجيناز)، وإنزيمات دورة كالفن ودورة حمض الستريك (TCA). ^{[ 19 ] [ 20 ]} ونظرًا لافتقارها إلى الجينات الأساسية الأيضية، تحتاج A. thalassa إلى مصادر خارجية للكربون ومركبات حيوية أخرى. ^{[ 18 ]} كما تفتقر A. thalassa إلى دورة حمض الستريك، ولكنها تُعبّر عن ناقل محتمل للأحماض ثنائية الكربوكسيل. ^{[ ١٨ ]} يشير هذا إلى أن نبات الرشاد (Arabidopsis thalassa) يحصل على احتياجاته من الأحماض ثنائية الكربوكسيل من مصدر خارجي. ^{[ ١٨ ]} كما أن النقص الكلي أو الجزئي للإنزيمات الحيوية اللازمة لتخليق الفالين، والليوسين، والإيزوليوسين، والفينيل ألانين، والتيروسين، والتريبتوفان، يُشير أيضًا إلى الحاجة إلى مصادر خارجية للأحماض الأمينية. ^{[ ١٨ ]} ومع ذلك، لا يزال نبات الرشاد (Arabidopsis thalassa ) يمتلك جينات نقل الحديد الثلاثي ( afuABC )، والتي من المفترض أن تسمح بنقل الحديد الثلاثي إلى داخل الخلية. ^{[ ٣ ]}

Atelocyanobacterium thalassa هو تكافلي إلزامي للطحالب haptophyte المتكلسة Braarudosphaera bigelowii . ^{[ 1 ]} أظهرت تجارب النظائر المستقرة أن A. thalassa يثبت ¹⁵ N ₂ ويتبادل النيتروجين الثابت مع الشريك، في حين تم تثبيت H ¹³ CO _{3- بواسطة} B. bigelowii ويتم استبداله بـ A. thalassa . يتلقى A. thalassa حوالي 16% من إجمالي الكربون للشريك التكافلي، ويتبادل حوالي 85-95% من إجمالي النيتروجين الثابت في المقابل. ^{[ 1 ] [ 21 ]}

يجب أن تعيش بكتيريا Atelocyanobacterium thalassa في ارتباط فيزيائي وثيق مع شريكها التكافلي المعتمد عليها في عمليات الأيض؛ ومع ذلك، لا تزال تفاصيل هذا التفاعل الفيزيائي غير واضحة بسبب نقص الصور المجهرية الواضحة. ^{[ 3 ]} قد تكون Atelocyanobacterium thalassa كائنًا تكافليًا داخليًا حقيقيًا ومحاطًا بالكامل بغشاء الخلية المضيفة، أو قد تمتلك آليات جزيئية تسمح بالارتباط الآمن ونقل المستقلبات. ^{[ 21 ]} يجب ألا يسمح هذا الارتباط التكافلي بمرور الأكسجين مع الحفاظ على تبادل النيتروجين والكربون المثبتين. ^{[ 21 ]} يتطلب هذا التكافل الوثيق أيضًا مسارات إشارات بين الشريكين ونموًا متزامنًا. ^{[ 21 ]}

تم الحصول على مزرعة مشتركة مستقرة من خلايا UCYN-A2 وخلاياها المضيفة، وخضعت لدراسات تصويرية. تستورد سلالة "نيتروبلاست" UCYN-A2 مجموعة واسعة من البروتينات من الخلية المضيفة، استجابةً لتسلسل إشارة فريد، مما يجعلها خاضعة لسيطرة دقيقة من قبل الخلية المضيفة. ويتم الحفاظ على دورة الضوء والظلام الخاصة بها متزامنة مع الخلية المضيفة بواسطة بروتينات الكريبتوكروم الخاصة بها . وتكتمل العديد من مساراتها الأيضية فقط بمساعدة بروتينات الخلية المضيفة. ^{[ 7 ]}

تُعدّ بكتيريا Atelocyanobacterium thalassa كائنًا وحيد الخلية، ولذلك فهي لا تمتلك حجيرات خلوية متخصصة ( خلايا متغايرة ) لحماية إنزيم النيتروجيناز ( nifH ) من التعرض للأكسجين. بينما تستخدم الكائنات الحية الأخرى المثبتة للنيتروجين الفصل الزمني بتثبيت النيتروجين ليلًا فقط، فقد وُجد أن A. thalassa تُعبّر عن جين nifH خلال النهار. ^{[ 22 ] [ 19 ]} يُعزى ذلك إلى غياب النظام الضوئي الثاني ، وبالتالي غياب الأكسجين والتحكم النسخي. ^{[ 19 ] [ 23 ]} يُفترض أن تثبيت النيتروجين نهارًا أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من التثبيت الليلي الشائع في الكائنات الأخرى المثبتة للنيتروجين، لأن طاقة الضوء يُمكن استخدامها مباشرةً في عملية تثبيت النيتروجين التي تتطلب طاقة عالية. ^{[ 23 ]}

تُصنّف سلالات نبات الأرابيدوبسيس ثالاسا (A. thalassa) بناءً على أنماطها الجينية المحددة. يوجد تشابه كبير بين جميع السلالات الفرعية في تسلسل الأحماض الأمينية، ولكن لوحظ بعض التباين في تسلسلات جين النيتروجيناز (nifH) . تعتمد الأنماط الجينية للأرابيدوبسيس ثالاسا على تسلسلات جين النيتروجيناز ( nifH )، وتُظهر ثلاثة عشر موضعًا للتباين (الإنتروبيا). ^{[ 2 ]} من شأن هذا التباين أن يؤدي إلى وجود أنماط جينية/سلالات فرعية مختلفة من الأرابيدوبسيس ثالاسا بوفرة نسبية متفاوتة، وبالتالي تأثيرات مختلفة على النظم البيئية التي توجد فيها. تم تحديد أربع سلالات فرعية رئيسية من خلال تحليل الأنماط الجينية، وهي: UCYN-A1/Oligo1، وUCYN-A2/Oligo2، وUCYN-A3/Oligo3، وUCYN-A4/Oligo4. وقد تم تمييز ما يصل إلى ثماني سلالات فرعية. ^{[ 25 ]}

كان النمط الجيني UCYN-A1 الأكثر وفرةً في المحيطات. ^{[ 2 ]} يتميز هذا النمط بوفرة إنزيم النيتروجيناز، حيث يتراوح تركيزه بين 104 و107 نسخ من جين nifH لكل لتر. ^{[ 26 ]} كما يتميز كل من UCYN-A1 وUCYN-A2 بصغر حجم جينومهما بشكل ملحوظ. ويختلف UCYN-A2 عن UCYN-A1 في أن النمط الجيني oligo2 فيه يختلف عن النمط الجيني oligo1 (UCYN-A1) في 10 من أصل 13 موضعًا من الإنتروبيا. كما أنهما يتواجدان في عوائل مختلفة. أما UCYN-A3 فيختلف عن UCYN-A1 في أن النمط الجيني oligo3 فيه يختلف عن النمط الجيني oligo1 في 8 من أصل 13 موضعًا من الإنتروبيا. ويختلف UCYN-A4 أيضًا عن UCYN-A1 في 8 من أصل 13 موضعًا من الإنتروبيا ضمن مجموعة مختلفة.

تُستخدم الأنماط الجينية المتعددة لأن جين nifH يُكتشف بسهولة أكبر في العينات البيئية السليمة مقارنةً بالميتاجينومات الكاملة التي تتطلب كمية أكبر من العينات بالإضافة إلى عمليات التسلسل. ومع ذلك، تُظهر الجينومات الكاملة، عند توفرها، معلومات أكثر. تُظهر الجينومات الكاملة للسلالتين الفرعيتين A1 وA2، بالإضافة إلى استخدام تقنية الساعة الجزيئية ، أن السلالتين تباعدتا في أواخر العصر الطباشيري (منذ حوالي 90 مليون سنة)، وهو ما تؤكده السجلات الأحفورية لـ B. bigelowii التي يعود تاريخها إلى حوالي 100 مليون سنة. من المرجح أن هاتين السلالتين قد تطورتا بالتزامن مع عوائلهما. ^{[ 28 ]}

اعتبارًا من إصدار GTDB 10-RS226 (أبريل 2025)، يحتوي بنك الجينات التابع للمركز الوطني لمعلومات التقانة الحيوية (NCBI GenBank) على 8 جينومات من نوع A. thalassa بجودة واكتمال كافيين للتحليل. يصنف GTDB كلاً من UCYN-A1 (GCA_000025125.1 + 5 جينومات أخرى) وUCYN-A2 (GCA_020885515.1 + جينوم آخر) ضمن مجموعتين منفصلتين على مستوى الأنواع. ^{[ 30 ]}

كورنيخو-كاستيلو وآخرون ، 2019. nifH ، الاحتمال الأقصى. تم تصحيح التصنيف وفقًا لـ NCBI وGTDB حيثما ينطبق ذلك. ^{[ 27 ]}

كورنيخو-كاستيلو وآخرون ، 2019. علم الوراثة التطورية (165 تسلسلًا ترميزيًا للبروتين)، أقصى احتمال. تم تصحيح التصنيف وفقًا لـ NCBI وGTDB حيثما ينطبق ذلك. ^{[ 27 ] : الشكل S6}

تعتبر نتيجة علم الوراثة العرقي أكثر تمثيلاً لتاريخ حياة الكائنات الحية من نتيجة موقع nifH الأحادي. ^{[ 27 ]}