海藻与细菌“内共生”出新细胞器

本文转自：科技日报

两种生命融为一体——

海藻与细菌“内共生”出新细胞器

左图为光学显微镜图像，显示了海洋藻类B.bigelowii。这种藻类吸收了UCYN-A细菌，并形成硝基体（黑色箭头标记处）。图片来源：《细胞》

右图为软X射线断层扫描生成，显示了处于细胞分裂不同阶段的藻类。UCYN-A是一种细胞器的固氮实体（青色），蓝色为藻类细胞核，绿色为线粒体，淡紫色为叶绿体。图片来源：伯克利实验室

【今日视点】

◎本报记者 张梦然

进化是一个相当奇妙而漫长的过程，一些随机活动的爆发，造就了当今地球上生命的多样性。它们可能会大规模发生，比如高效的肢体进化；也可能发生在微观细胞层面，比如细胞不同部分的首次形成。

现在，一组科学家发现了一个重大生命事件的迹象，该事件可能至少十亿年来都没有发生过了。他们在实验室环境中观察到初级内共生现象，即两种生命形式融合成一个有机体。

这种极为罕见的事件发生在一种海洋藻类和一种细菌之间。最近发表在《细胞》和《科学》杂志上的两篇论文描述了这些研究结果。

每次“内共生”都是进化的重大突破

当一种微生物吞噬另一种微生物时，就会发生初级内共生。宿主为这个内共生体提供多种好处，包括营养、能量和保护。最终，被吞噬的微生物会成为宿主的一个被称为细胞器的器官。

“发生这种情况非常罕见。”《细胞》论文的合著者、美国加州大学圣克鲁斯分校博士后学者泰勒·科尔说，“它第一次发生时，就产生了所有复杂的生命。”

一种生命形式成为另一种生物体功能基础的内共生，仅发生过3次。这3次实例都是进化过程中的重大突破。

第一个事件发生在大约22亿年前。那时，一种称为古细菌的单细胞生物吞噬了一种细菌，最终形成了线粒体。现在，每个生物学学生都知道这种特殊的细胞器是“细胞的动力源”，它的出现使复杂的生物体得以进化。

第二个事件发生于更高级的细胞吸收蓝细菌时。蓝细菌可从阳光中获取能量，它们最终成为叶绿体的细胞器。叶绿体提供了生物学的另一个核心知识——绿色植物可利用阳光制造食物。

第三次，也是最新发现的内共生事件显示，藻类有可能将大气中的氮转化为氨，用于其他细胞过程。

一个新的细胞器出现了吗？

在《细胞》杂志发表的论文中，一组科学家观察了一种名为B.bigelowii的藻类。吞噬了蓝细菌的藻类有了一种超能力：它可直接从空气中“固定”氮气，并与其他元素结合形成更有用的化合物。这是植物通常无法做到的。

氮是维持生命存在的重要营养物质。深入分析后，研究小组认为B.bigelowii藻类与一种名为UCYN-A的细菌具有特殊的共生关系。

他们发现，在与B.bigelowii藻类相关的不同物种中，藻类和UCYN-A细菌之间的大小比例非常相似。它们的生长似乎是通过关键营养物质的交换来控制的。这种生长速度的同步性，使得研究人员将UCYN-A称为类细胞器。

这正是细胞器出现的标志。加州大学圣克鲁斯分校微生物海洋学家乔纳森·泽尔说，“它和线粒体、叶绿体是同一回事，它们随着细胞的大小而变化。”

“硝基体”诞生

这里还存在一个问题：这究竟是一个内共生体，还是一个真正的细胞器？在《科学》杂志发表的另一篇论文中，研究人员通过X射线成像表明，藻类宿主和内共生体的复制和分裂过程是同步的，这提供了一个更强有力的证据。

他们还将分离的UCYN-A细菌的蛋白质与藻类细胞内的蛋白质进行了比较。研究小组发现，分离出的细菌只能产生其所需蛋白质的大约一半。它需要藻类宿主为其提供生存所需的其余蛋白质。

泽尔指出，这是从内共生体转变为细胞器的标志之一。它们丢弃DNA片段，基因组变得越来越小，并开始依赖母细胞将这些基因产物或蛋白质本身运输到细胞中。

这表明，UCYN-A是一个完整的细胞器。他们将其命名为“硝基体”。它可能在大约1亿年前就开始进化。这一时间听起来很长，但与另两个事件相比，这个进化“很新”。

以此次研究为基础，科学家还可能会发现其他具有相似进化故事的生物体。但今天的这一发现“值得载入教科书”。