“前所未有的”新形式的共生发现

新的共生形式

能量提供的细菌型胚乳使其单细胞真核宿主能够呼吸硝酸盐,表明单细胞真核生物可以获得indosymbionts以补充或替换其线粒体细胞器的功能。

来自不来梅的研究人员,以及来自科隆马克斯·普朗克基因组中心和瑞士水产研究所Eawag的同事,发现了一种生活在单细胞真核生物体内的独特细菌,并为其提供能量。与线粒体不同,这种所谓的内共生体的能量来自于硝酸盐的呼吸,而不是氧气。“这种合作关系是全新的,”该研究的资深作者Jana Milucka说自然纸。“以呼吸和能量转移为基础的共生关系是迄今为止前所未有的。”

通常,在真核生物中,Symbiases相当常见。真核宿主经常与其他生物(如细菌)共存。一些细菌活在宿主细胞或组织内,并执行某些服务,例如防御或营养。作为回报,主持人为Symbiont提供庇护所和适当的生活条件。硫代肾病甚至可以甚至远远地损失其在其宿主外部存活的能力。

不来梅科学家在瑞士楚格湖发现的共生现象也是如此。“我们的发现打开了一种可能性,即简单的单细胞真核生物,如原生生物,可以宿主提供能量的内共生体,以补充甚至取代线粒体的功能,”该研究的第一作者乔恩·格拉夫说。“这种原生生物是通过与一种能够硝酸盐呼吸的内共生体合作,在没有氧气的情况下生存下来的。“内共生体的名称‘Candidatus Azoamicus纤毛虫’反映了这一点;寄生在纤毛虫体内的“氮朋友”。

Candidatus azoamicus ciliaticola.

该图是扫描电子显微镜图像(SEM,灰色)和荧光图像的复合物。可见的是“Candidatus azoamicus纤毛酸”的endosymbiont(被鱼,黄色)和食物泡沫的细菌猎物以及大细胞核(由Dapi,蓝色染色)。弱荧光纤维化的外部结构以及纤毛也可见。信贷:Max Planck海洋微生物学研究所,S. Ahmerkampyabo124

亲密的伙伴关系越来越近

到目前为止,已经假设在无氧环境中的真核生物通过发酵存活,因为线粒体需要氧气以产生能量。发酵过程有很好的记录,并在许多厌氧纤毛中观察到。然而,微生物不能从发酵中汲取多少能量,并且通常不会像它们的有氧同行一样快速地生长和分裂。

“我们的纤毛虫找到了解决办法,”格拉夫说。“它已经吞噬了一个能够呼吸硝酸盐的细菌,并将其整合到自己的细胞中。我们估计,同化至少发生在2亿至3亿年前。从那以后,进化进一步加深了这种亲密的伙伴关系。

时移进化

线粒体的进化也以类似的方式进行。“所有线粒体都有一个共同的起源,”Jana Milucka解释道。人们相信,在10亿多年前,当一个古细菌的祖先吞噬了一个细菌,这两个开始了一个非常重要的共生关系:这个事件标志着真核细胞的起源。随着时间的推移,细菌越来越多地融入细胞,逐渐减少其基因组。不再需要的属性会丢失,只保留对主机有益的属性。最终,线粒体进化了,就像我们今天所知道的那样。它们有自己的微小基因组和细胞膜,并作为所谓的细胞器存在于真核生物中。例如,在人体中,它们存在于几乎每个细胞中,并为细胞提供能量,从而也为我们提供能量。

“我们的内心二氧化符能够进行许多线粒体功能,即使它不与线粒体共享常见的进化源,”Milucka说。“推测Symbiont可能遵循与线粒体相同的路径有诱惑力,最终成为一个细胞器。”

一个机会遇到

这实际上是惊人的,这漫长的共生仍然是未知的。线粒体与氧气工作得很好 - 为什么不应该有相当于硝酸盐?一个可能的答案是没有人意识到这种可能性,所以没有人在寻找它。学习indosymbioses是挑战性的,因为大多数共生的微生物不能在实验室种植。然而,近期代理分析的进步使我们能够更好地了解宿主和共生之间的复杂互动。在分析Metagenome时,科学家们看看样本中的所有基因。这种方法通常用于环境样本,因为样品中的基因不能自动分配给存在的生物。这意味着科学家通常寻找与他们的研究问题相关的特定基因序列。MetageNomes通常含有数百万不同的基因序列,并且非常正常,仅对它们的一小部分进行详细分析。

最初,不来梅的科学家们还在寻找其他东西。马克斯-普朗克海洋微生物研究所的温室气体研究小组研究参与甲烷代谢的微生物。yabo124为此,他们一直在研究楚格湖的深水层。该湖泊高度分层,这意味着不存在垂直的水交换。因此,楚格湖的深水层与地表水没有接触,在很大程度上是孤立的。这就是为什么它们不含氧,却富含甲烷和氮化合物,如硝酸盐。在寻找含有氮转化基因的甲烷吞噬细菌时,Graf发现了一个小得惊人的基因序列,它编码了硝酸盐呼吸的完整代谢途径。“我们都被这个发现震惊了,我开始比较DNA在数据库中具有类似的基因序列,“格拉夫说。但唯一类似的DNA属于生活在蚜虫和其他昆虫中的Symbionts。“这没有意义。昆虫会如何进入这些深水区?为什么?“格拉夫记得。研究小组的科学家们开始猜测游戏和投注。

在黑暗的湖中,并不孤单

最终,普遍存在:基因组必须属于尚未证明的内炎。为了验证这一理论,研究团队的成员在瑞士对湖朱湖进行了几次探险。在当地合作伙伴的帮助下,他们收集了样品,专门针对含有这种独特的内解混的生物体。在实验室中,科学家用移液管捕获水样中的各种真核生物。最后,使用基因标记物,可以可视化endosymbiont并识别其蛋白质主体。

一年前的最后一次远足本应带来最终的确定性。在隆冬这是一项艰巨的任务。暴风雨天气、浓雾、冠状病毒的首次消息带来的时间压力,以及可能的封锁,使得大湖的搜索更加困难。尽管如此,科学家们还是成功地从深海中提取了一些样本,并将它们带到不来梅。这些样本最终证实了他们的理论。“知道它们一起在下面真是太好了,”Jana Milucka说。“通常,这些纤毛虫以细菌为食。但这只让它活着,并与它合作。”

许多新问题

这发现激起了许多令人兴奋的新问题。是否存在类似的Symbioss,这些系统已经存在了更长的时间,并且endosymbiont已经将边界交叉到细胞器?如果存在硝酸盐呼吸的这种共生,还存在是否存在用于其他化合物?这个共生是如何存在于200至3亿年的共生,最终在阿尔卑斯山的后冰川湖中,只形成了10,000年前?此外:“现在我们知道我们正在寻找什么,我们发现了全世界的内奥昔翁翁的基因序列,”Milucka说。在法国,以及台湾,或者在东非湖泊中,部分比湖湖更老。这个共生的起源是否位于其中一个?还是它在海洋中开始?这些是研究小组希望接下来调查的问题。

参考:Jon S. Graf, Sina Schorn, Katharina Kitzinger, Soeren Ahmerkamp, Christian Woehle, Bruno Huettel, Carsten J. Schubert, Marcel M. M. Kuypers和Jana Milucka, 2021年3月3日自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03297 - 6

4评论论“前所未有”的共生新形式

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