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Nature Microbiology volume 7, pagine 2068–2077 (2022)Citare questo articolo

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Il fitoplancton marino è responsabile di circa la metà della fotosintesi sulla Terra. Molti sono mixotrofi, combinando la fotosintesi con l'assimilazione eterotrofa del carbonio organico, ma il contributo relativo di questi due stili di vita non è chiaro. Qui le misurazioni su singola cellula rivelano che il Proclorococco alla base della zona fotica nel Mar Mediterraneo orientale ottiene solo circa il 20% del carbonio necessario per la crescita mediante la fotosintesi. Ciò è supportato da calcoli calibrati in laboratorio basati su parametri fotofisiologici e confrontati con i tassi di crescita in situ. Simulazioni basate su agenti mostrano che le cellule mixotrofiche potrebbero crescere decine di metri più in profondità rispetto ai fotoautotrofi obbligati, approfondendo la nutriclina di circa 20 m. Le serie temporali del Nord Atlantico e del Nord Pacifico indicano che, durante la stratificazione termica, in media l'8-10% delle cellule di Proclorococco vivono senza luce sufficiente per sostenere le popolazioni fotoautotrofiche obbligate. Insieme, questi risultati suggeriscono che la mixotrofia è alla base del successo ecologico di un’ampia frazione della popolazione globale di Proclorococco e della sua diversità genetica collettiva.

La fotosintesi da parte del fitoplancton fornisce la maggior parte dell'energia e del carbonio fisso che supportano le reti alimentari marine e i serbatoi di carbonio1. Tuttavia, pochi fitoplancton sono strettamente fotoautotrofi2. Molti fitoplancton utilizzano anche la materia organica disciolta, assorbendo la materia organica detritica particellare o predando altre cellule viventi e persino raccogliendo organelli2. Gli stili di vita mixotrofici (osmotrofia, di seguito), in cui le cellule fissano il carbonio e utilizzano carbonio organico disponibile esogenamente, possono migliorare la forma fisica, ad esempio quando la disponibilità relativa di risorse inorganiche differisce dalle richieste fisiologiche (ad esempio, l'intensità della luce è bassa ma i nutrienti inorganici sono abbondante)3. La mixotrofia può anche far risparmiare energia e ridurre le risorse a disposizione dei concorrenti2. Nonostante la potenziale importanza della mixotrofia per la storia della vita del fitoplancton, il contributo dell'assimilazione del carbonio eterotrofo alla crescita del fitoplancton non è ben quantificato4. Le simulazioni suggeriscono che la mixotrofia potrebbe essere una fonte di carbonio importante a livello globale per il fitoplancton5, ma questa previsione è attualmente difficile da testare quantitativamente con dati empirici. Uno dei motivi è che il carbonio organico disciolto (DOC) negli oceani costituisce una miscela estremamente complessa di composti6,7, la maggior parte dei quali non caratterizzati. Ciò significa che le misurazioni dell'assorbimento utilizzando specifiche fonti di carbonio organico (ad esempio glucosio e amminoacidi)8,9 non rappresentano l'intero pool di DOC disponibile e potrebbero sottostimare i tassi di assorbimento effettivi di DOC e, quindi, la mixotrofia delle principali specie di fitoplancton10.

I proclorococchi sono le cellule fototrofiche più abbondanti sulla Terra, crescono attivamente a profondità che vanno dalla superficie dell'oceano fino alla base della zona fotica (~ 160 m) (rif. 11). A queste profondità, la radiazione fotosinteticamente disponibile (PAR) varia da tre a quattro ordini di grandezza, una sfida che il diverso lignaggio del Proclorococco deve affrontare utilizzando una varietà di adattamenti nel loro apparato fotosintetico11,12. Questi adattamenti hanno portato alla diversificazione del Proclorococco in cladi adattati ad alta luce (HL) e a bassa luce (LL)11,12. Inoltre, i Proclorococchi sono mixotrofi, in grado di assorbire composti organici disciolti come glucosio8, piruvato13, amminoacidi9, nucleotidi10 e forse dimetilsulfoniopropionato14,15. Tuttavia, non è ancora noto in che misura l’assorbimento del DOC possa integrare o sostituire il carbonio fissato fotosinteticamente per la respirazione e/o la crescita in questo lignaggio abbondante a livello globale10. Le prove disponibili suggeriscono che, mentre la mixotrofia aiuta il Proclorococco a sopravvivere a periodi limitati di oscurità, le cellule axeniche muoiono dopo circa 1 settimana se non esposte alla luce13,16, indicando che la raccolta della luce, e possibilmente la fotosintesi, è probabilmente obbligata.