一種包含葉綠體(深綠色)的植物細(xì)胞——科學(xué)家認(rèn)為是由內(nèi)共生體進(jìn)化而來的特殊細(xì)胞器。鳴謝:基爾大學(xué)大衛(wèi)·弗內(nèi)斯博士/科學(xué)圖片庫
科學(xué)家們使用一根微小的空心針和一個自行車打氣筒，成功地將細(xì)菌植入一個更大的細(xì)胞，創(chuàng)造了一種類似于引發(fā)復(fù)雜生命進(jìn)化的關(guān)系。
10月2日的《自然》雜志描述了這一壯舉，它可以幫助研究人員了解10多億年前產(chǎn)生稱為線粒體和葉綠體的特殊細(xì)胞器的配對的起源。
真菌一次又一次借用細(xì)菌基因
內(nèi)共生關(guān)系——其中一個微生物伙伴在另一個生物體的細(xì)胞內(nèi)和諧生活——存在于許多生命形式中，包括昆蟲和真菌。科學(xué)家認(rèn)為，線粒體是負(fù)責(zé)細(xì)胞能量產(chǎn)生的細(xì)胞器，當(dāng)細(xì)菌在真核細(xì)胞的祖先體內(nèi)定居時進(jìn)化而來。當(dāng)植物的祖先吞食了光合微生物時，葉綠體出現(xiàn)了。
確定形成和維持這些耦合的因素是困難的，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生在很久以前。為了解決這個問題，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的微生物學(xué)家Julia Vorholt領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)花了幾年時間在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計內(nèi)共生體。他們的方法是用500-1000納米寬的針刺穿宿主細(xì)胞，然后一次輸送一個細(xì)菌細(xì)胞。
引發(fā)共生現(xiàn)象
即使有這種技術(shù)魔法，最初的配對往往會失??；例如，因?yàn)闈撛诘墓采w分裂太快，殺死了它的宿主2。當(dāng)他們重建了真菌植物病原體根霉小孢子菌和細(xì)菌Mycetohabitans rhizoxinica之間的自然共生關(guān)系時，研究小組的運(yùn)氣發(fā)生了變化，這種共生關(guān)系產(chǎn)生了一種毒素，可以保護(hù)真菌免受捕食。

研究人員將細(xì)菌植入根霉真菌中——這是在顯微鏡下看到的。信用:SRMY/Shutterstock
然而，將細(xì)菌細(xì)胞輸送到真菌中是一個挑戰(zhàn)，真菌具有保持高內(nèi)壓的厚細(xì)胞壁。在用針刺穿墻壁后，研究人員使用了自行車打氣筒——后來又使用了空氣壓縮機(jī)——來保持足夠的壓力來輸送細(xì)菌。
在克服了手術(shù)最初的沖擊后，真菌繼續(xù)它們的生命周期并產(chǎn)生孢子，其中一部分含有細(xì)菌。當(dāng)這些孢子萌發(fā)時，細(xì)菌也存在于下一代真菌的細(xì)胞中。這表明新的內(nèi)共生現(xiàn)象可以遺傳給后代——這是一個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)。
消失的細(xì)菌
但是含細(xì)菌孢子的萌發(fā)成功率很低。在孢子的混合群體中(一些有細(xì)菌，一些沒有)，那些有細(xì)菌的在兩代之后消失了。為了看看這種關(guān)系是否可以改善，研究人員使用熒光細(xì)胞分選儀來選擇含有細(xì)菌的孢子——這些孢子被一種發(fā)光蛋白質(zhì)標(biāo)記——并在未來的繁殖中只繁殖這些孢子。到了第十代，含細(xì)菌的孢子的萌發(fā)效率幾乎和不含細(xì)菌的孢子一樣高。
這種改編的基礎(chǔ)尚不清楚。基因組測序發(fā)現(xiàn)了一些與真菌萌發(fā)成功率提高相關(guān)的突變——這是一種未知天然攜帶內(nèi)共生體的小孢子梭狀芽孢桿菌菌株——并且在細(xì)菌中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院微生物學(xué)家Gabriel Giger說，發(fā)芽最有效的線傾向于限制每個孢子中的細(xì)菌數(shù)量?！斑@兩個人有辦法更好、更輕松地生活在一起。對我們來說，理解這一點(diǎn)非常重要?！?/span>
真菌免疫系統(tǒng)
研究人員對小孢子菌的遺傳學(xué)了解不多。但是英國牛津大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家托馬斯·理查茲想知道真菌免疫系統(tǒng)是否阻止了共生現(xiàn)象——以及該系統(tǒng)的突變是否會緩和關(guān)系?！拔曳浅Ｏ矚g這項(xiàng)工作，”他補(bǔ)充道。
德國海因里?！ずＤ髮W(xué)杜塞爾多夫分校的微生物學(xué)家伊娃·諾瓦克對共生生命的適應(yīng)性進(jìn)化速度之快感到驚訝。在未來，她很想看看更長時間后會發(fā)生什么；比如1000多代。
Vorholt說，改造這種共生體可以導(dǎo)致具有有用特性的新生物的發(fā)展，例如消耗二氧化碳或大氣氮的能力?！斑@就是我們的想法:引入一個有機(jī)體沒有的新特征，否則這將很難實(shí)現(xiàn)?！?/span>
do:https:///10.1038/d41586-024-03224-5
參考
1.Giger，G. H .等人,《https:///10.1038/s41586-024-08010-x自然》( 2024年)。
文章
谷歌學(xué)術(shù)
2.G? belein，C. G .，Reiter，M. A .，Ernst，c .，Giger，G. H. & Vorholt，J. A. ACS Synth .生物。11, 3388–3396 (2022).
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