Taxonomy and nitrogen fixation in Raphidiopsis raciborskii (Woloszynska) Aguilera, Berrendero Gómez, Kastovsky, Echenique & Salerno

Abstract

Cianobactérias são organismos fotosssintetizantes que possibilitaram a existência de oxigênio no ambiente, e com isso a vida de outros seres no planeta. Esses organismos têm um papel essencial no passado evolutivo e nos ecossistemas modernos por estarem na base dos ciclos biogeoquímicos globais de carbono e nitrogênio. Neste trabalho estudamos a capacidade da espécie Raphidiopsis raciborskii de fixar nitrogênio atmosférico. Este organismo tem se adaptado aos ambientes aquáticos de várias partes do mundo e causado algumas preocupações devido ao seu potencial de produzir toxinas e porque é uma espécie invasora. Apesar de seu sucesso ecológico, a diazotrofia, isto é a capacidade de fixar nitrogênio atmosférico, ainda não é tão estudada nessa espécie. Seus aspectos relacionados à produção de toxinas e ao potencial de propagação foram foco de muitos estudos, mas ainda precisamos saber mais sobre sua ecologia, posição taxonômica e fisiologia. Para contribuir com mais informações, neste trabalho, tivemos três principais objetivos. O primeiro foi esclarecer as relações taxonômicas e filogenéticas dentro de cepas com e sem heterocitos (células especializadas com função de fixação de nitrogênio) de Raphidiopsis raciborskii. O segundo foi avaliar sua resposta à restrição de nitrogênio, por meio de experimentos de expressão gênica. E o terceiro foi revisar brevemente a rota evolutiva dos genes que se traduzem na enzima nitrogenase, não apenas na espécie R.raciborskii, mas nas bactérias diazotróficas em geral. Para alcançarmos o primeiro objetivo foram feitas análises filogenéticas de quatro regiões do genoma de R.raciborskii. A partir dos resultados, concluímos que os gêneros Raphidiopsis e Cylindrospermopsis são sinônimos e cepas produtoras ou não produtoras de heterócitos co-ocorrem normalmente, essa característica não sendo suficiente para distinguir entre gêneros. O segundo objetivo foi abordado utilizando experimento de restrição de nitrato em que se compararam cepas cultivadas em meio com depleção total de nitrogênio e em meio rico em nitrogênio dissolvido. A produção de heterócitos e a expressão gênica de nifH, hetR e ntcA (genes relevantes para que a fixação de nitrogênio ocorra) foram avaliados. Foi possível concluir que a produção de heterócitos não é totalmente inibida pela presença de nitrogênio dissolvido no meio e R.raciborskii pode expressar a nitrogenase mesmo em um meio rico em nitrato, ao contrário do que ocorre com outras cianobactérias diazotróficas. Para o terceiro objetivo foi feito o levantamento bibliográfico juntamente com análise de relações filogenéticas entre as proteínas da família Nif, responsáveis pela fixação de nitrogênio. Foi possível ver que houve várias duplicações genicas para poder formar a família nif tal qual conhecemos hoje. Uma duplicação notável é a do óperon nifDK que gerou os genes nifE e nifN. O surgimento da enzima nitrogenase ainda é incerto e existem sugestões que o primeiro organismo capaz de sintetizá-la seja uma Archea, ou até o Último Ancestral Comum de toda a vida.