La función principal de las cianobacterias es suministrar nitrógeno a sus diatomeas anfitrionas
La alianza microscópica entre algas y bacterias ofrece imágenes excepcionales, paso a paso, de cómo las bacterias pierden genes y se adaptan a la creciente dependencia del anfitrión. Así lo demuestra un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Estocolmo, en colaboración con la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas y la Universidad Linnaeus.
En algunas de las aguas más pobres en nutrientes de nuestros océanos, pequeñas asociaciones contribuyen a la supervivencia de la vida. Estas asociaciones, llamadas simbiosis, se dan entre algas microscópicas llamadas diatomeas y una bacteria específica llamada cianobacteria, que puede absorber nitrógeno del aire y convertirlo en una forma que puedan utilizar los seres vivos.
En algunas de estas simbiosis, las cianobacterias pertenecen al género Richelia, y su función principal es suministrar nitrógeno a sus diatomeas anfitrionas. Las diatomeas hospedantes son fotosintetizadores muy activas. La fotosíntesis es el proceso metabólico común a todas las plantas, algas y algunas bacterias que utilizan la energía solar para reducir el dióxido de carbono (CO2) a energía química, generalmente en forma de azúcares.
Un continuo de integración
La interacción física de las Richelias con sus diatomeas hospedadoras varía considerablemente. Algunas Richelias viven adheridas al exterior de su hospedadora, otras en el espacio entre la pared celular externa (llamada frústula) y la membrana celular interna, y algunas viven completamente en el interior. Este "continuo" de integración refleja diferentes etapas de las asociaciones y brinda a los investigadores una oportunidad única de examinar el proceso evolutivo en estos diferentes puntos temporales de su relación.
"En general, a medida que los simbiontes se vuelven más dependientes de sus anfitriones, se integran más en ellos; por ejemplo, viven dentro de la célula anfitriona y comienzan a perder información genómica que es redundante con sus anfitriones", explica la coautora, la profesora Rachel Foster de la Universidad de Estocolmo.
Imagen: Cadena de la diatomea simbiótica oceánica Hemiaulus hauckii con su simbionte cianobacteriano fijador de N₂ Richelia euintracellularis (filamentos amarillos). Crédito: Sepehr Bardi
Genomas en transición
Mediante un enfoque de genómica comparativa, la investigadora postdoctoral Dra. Vesna Grujcic identificó que varias características genómicas de las diferentes Richelias reflejan etapas de transición clave en el proceso evolutivo.
"A medida que Richelia se vuelve más dependiente de sus anfitrionas, el conjunto de genes que porta cambia considerablemente. Podemos ver qué genes desaparecen y cuáles permanecen, lo que nos brinda una perspectiva excepcional de cómo estas asociaciones evolucionan paso a paso. Además, al comparar Richelia con otras cianobacterias simbiontes fijadoras de nitrógeno, encontramos patrones compartidos de pérdida de genes y cambios únicos que reflejan la trayectoria evolutiva de cada linaje", afirma Grujcic.
"Lo que más me entusiasma de esta investigación es que coexisten diferentes etapas en el camino hacia un simbionte completamente integrado. Esto nos permitió estudiar la genética que explica la evolución hacia un estilo de vida caracterizado por la dependencia total del simbionte con su anfitrión", afirma Daniel Lundin, de la Universidad de Linnaeus.
Grujcic dirigió el análisis del pangenoma, identificando el conjunto de genes compartidos por todos las Richelia (el genoma central), así como los genes accesorios que difieren entre especies. Junto con Maliheh Mehrshad de la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Grujcic también examinó los patrones de reducción del genoma, el tamaño y la distribución de los espacios entre genes conocidos como espaciadores intergénicos, y el grado de pseudogenización, cuando los genes acumulan mutaciones y pierden su función.
"El nivel de integración entre Richelia y sus hospedadores afecta no solo el tamaño del genoma y el contenido genético, sino también la proporción de regiones codificantes (las partes del ADN que contienen instrucciones para la producción de proteínas). Observar el ADN no codificante, como los espaciadores intergénicos y los genes dañados que ya no funcionan (pseudogenes), también nos dice mucho sobre su trayectoria evolutiva", afirma Mehrshad.
Imagen: Imágenes epifluorescentes de diatomeas simbióticas de mar abierto con sus simbiontes cianobacterianos fijadores de N₂. Los simbiontes presentan fluorescencia amarilla automática, mientras que los cloroplastos de las diatomeas presentan fluorescencia roja. Existe un continuo de integración donde los simbiontes residen en el interior (endobionte, izquierda), en transición (endobiontes parciales, centro) o adheridos (epibiontes, derecha). Crédito: Rachel A. Foster
El papel de los "genes saltarines"
Otro resultado interesante provino del trabajo del investigador Theo Vigil-Stenman, exinvestigador posdoctoral de la Universidad de Estocolmo, quien caracterizó todas las secuencias de inserción y transposones (fragmentos de ADN conocidos como genes saltarines porque pueden mover información genética dentro del genoma).
Los investigadores habían notado anteriormente que el genoma del simbionte parcialmente integrado, que vive encajado entre la pared celular externa de la diatomea y la membrana celular interna, solo tenía un genoma ligeramente más pequeño que el simbionte que se adhiere al exterior de la diatomea anfitriona y carecía de vías metabólicas similares a las del simbionte más interno. Normalmente, el tamaño del genoma disminuye a medida que los simbiontes se integran más o viven más dentro de sus respectivos anfitriones.
"No entendíamos por qué podía mantener este tamaño genómico a pesar de carecer de varias vías metabólicas funcionales", reflexiona Foster. "Theo Vigil-Stenman identificó que estos genomas simbiontes parcialmente integrados estaban repletos de secuencias de inserción que inflaban su tamaño genómico".
Imagen derecha: Modelo conceptual de la trayectoria evolutiva de los simbiontes de Richelia spp. a través de niveles crecientes de integración celular del anfitrión. Current Biology (2025). DOI: 10.1016/j.cub.2025.08.003
Un modelo para estudiar la evolución en acción
El grupo de investigación sugiere que estas simbiosis entre diatomeas y Richelia representan un valioso modelo para el estudio de la evolución del genoma simbionte. El trabajo ofrece una perspectiva única de la evolución en acción, ya que existen pocos ejemplos conocidos de simbiosis en etapas de transición. Este análisis comparativo es poco común entre los sistemas planctónicos y coloca la asociación diatomea-Richelia junto a otros notables modelos de simbiosis.
Sin embargo, aún queda mucho por aprender sobre cómo ha impactado la vida en simbiosis la trayectoria evolutiva de los genomas de las diatomeas hospedantes y cómo estos modelos de simbiosis fijadoras de N₂ pueden utilizarse en otros campos. Por ejemplo, ¿Pueden estos sistemas aportar valiosa información a la biología sintética para la producción de cultivos fijadores de N₂?
El estudio se ha publicado en Current Biology: Stepwise genome evolution from a facultative symbiont to an endosymbiont in the N2-fixing diatom-Richelia symbioses
