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The V-type ATPase enhances photosynthesis in marine phytoplankton and further links phagocytosis to symbiogenesis

生物 浮游植物 甲藻 光合作用 内共生 三角褐指藻 颗石藻 叶绿体 植物 硅藻 无机碳总量 质体 生态学 生物化学 二氧化碳 营养物 基因
作者
Daniel P. Yee,Ty J. Samo,Raffaela M. Abbriano,Bethany Shimasaki,Maria Vernet,Xavier Mayali,Peter K. Weber,B. Greg Mitchell,Mark Hildebrand,Johan Decelle,Martin Tresguerres
出处
期刊:Current Biology [Elsevier BV]
标识
DOI:10.1016/j.cub.2023.05.020
摘要

Diatoms, dinoflagellates, and coccolithophores are dominant groups of marine eukaryotic phytoplankton that are collectively responsible for the majority of primary production in the ocean.1 These phytoplankton contain additional intracellular membranes around their chloroplasts, which are derived from ancestral engulfment of red microalgae by unicellular heterotrophic eukaryotes that led to secondary and tertiary endosymbiosis.2 However, the selectable evolutionary advantage of these membranes and the physiological significance for extant phytoplankton remain poorly understood. Since intracellular digestive vacuoles are ubiquitously acidified by V-type H+-ATPase (VHA),3 proton pumps were proposed to acidify the microenvironment around secondary chloroplasts to promote the dehydration of dissolved inorganic carbon (DIC) into CO2, thus enhancing photosynthesis.4,5 We report that VHA is localized around the chloroplasts of centric diatoms and that VHA significantly contributes to their photosynthesis across a wide range of oceanic irradiances. Similar results in a pennate diatom, dinoflagellate, and coccolithophore, but not green or red microalgae, imply the co-option of phagocytic VHA activity into a carbon-concentrating mechanism (CCM) is common to secondary endosymbiotic phytoplankton. Furthermore, analogous mechanisms in extant photosymbiotic marine invertebrates6,7,8 provide functional evidence for an adaptive advantage throughout the transition from endosymbiosis to symbiogenesis. Based on the contribution of diatoms to ocean biogeochemical cycles, VHA-mediated enhancement of photosynthesis contributes at least 3.5 Gtons of fixed carbon per year (or 7% of primary production in the ocean), providing an example of a symbiosis-derived evolutionary innovation with global environmental implications.

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