Zelfs eenvoudige bacteriën kunnen de veranderende seizoenen voorspellen

Ondanks dat ze tot de eenvoudigste levensvormen op aarde behoren, zijn cyanobacteriën in staat veranderende seizoenen te voorspellen en zich erop voor te bereiden op basis van de hoeveelheid licht waaraan ze worden blootgesteld.

Het is al meer dan een eeuw bekend dat complexe organismen de daglengte kunnen gebruiken als indicatie voor toekomstige omgevingsomstandigheden; dagen worden bijvoorbeeld korter voordat het kouder wordt. Fenomenen zoals migratie, bloei, winterslaap en seizoensvoortplanting worden aangestuurd door dergelijke reacties van planten en dieren, bekend als fotoperiodisme, maar zijn nog nooit eerder waargenomen bij eenvoudige levensvormen zoals bacteriën.

Luísa Jabbur, destijds verbonden aan de Vanderbilt Universiteit in Nashville, Tennessee, en haar collega’s stelden kunstmatig bloot Synechococcus elongatus cyanobacteriën naar verschillende daglengtes en ontdekten dat degenen met gesimuleerde korte dagen twee tot drie keer beter waren in het overleven van temperaturen onder het vriespunt, wat aangeeft dat ze zich hadden voorbereid op winterse omstandigheden.

Door steeds kortere en langere perioden te testen, stelden de onderzoekers vast dat het vier tot zes dagen duurde om een ​​reactie te ontwikkelen.

Deze organismen produceren binnen enkele uren een nieuwe generatie, wat betekent dat de cellen informatie over de lengte van de dag moeten doorgeven aan hun nakomelingen. Onderzoekers begrijpen echter nog steeds niet hoe deze informatie wordt overgedragen.

Cyanobacteriën, die via fotosynthese energie uit zonlicht opvangen, bestaan ​​al meer dan 2 miljard jaar en zijn bijna overal op aarde te vinden.

‘Het feit dat een organisme zo oud en eenvoudig als een cyanobacterie fotoperiodieke reacties kan hebben, suggereert dat dit een fenomeen is dat zich veel eerder heeft ontwikkeld dan we ons hadden kunnen voorstellen’, zegt Jabbur, die nu in het John Innes Centre in Norwich, Verenigd Koninkrijk, werkt. .

Het team keek ook naar hoe genexpressiepatronen veranderen als reactie op verschillende daglengtes. Hun resultaten suggereren dat fotoperiodisme waarschijnlijk is geëvolueerd door bestaande mechanismen te coöpteren om acute spanningen zoals fel licht en extreme temperaturen te bestrijden.

De bevindingen hebben ook implicaties voor de evolutie van circadiane ritmes, de biologische klokken die dag-nachtcycli reguleren, zegt teamlid Carl Johnson van Vanderbilt University.

‘Ik denk dat we er altijd van uit zijn gegaan dat circadiane klokken zijn geëvolueerd voordat organismen de lengte van dag/nacht konden meten en zo de wisseling van de seizoenen konden voorspellen’, zegt hij. ‘Maar het feit dat het fotoperiodisme in zulke oude en eenvoudige organismen is geëvolueerd, en dat onze resultaten op het gebied van genexpressie stressresponsroutes impliceren die zich waarschijnlijk al heel vroeg in het leven op aarde hebben ontwikkeld, suggereert dat het fotoperiodisme zich mogelijk vóór de circadiane klokken heeft ontwikkeld,’ zegt Johnson.