一种细菌在藻类内部进化成一种新的细胞结构

自生命在地球上首次进化以来的 35 亿年里，人们认为曾经自由生活的细菌只与其他生物体融合过 3 次，这使得这是极其罕见的进化事件。 现在，在海洋中常见的单细胞藻类中发现了第四个例子。

人们认为这些藻类可以在细菌的帮助下“固定”氮——将大气中的氮转化为可用的氨。 泰勒·科尔 加州大学圣克鲁斯分校的博士和他的同事现在已经证明，这种细菌已经进化成一种新的细胞结构或细胞器。

科尔说，这是第一个已知的固氮细胞器或硝基体，并且可能是这些藻类成功的关键。 “这对他们来说似乎是一个成功的策略，”他说。 “这些是非常普遍的藻类。 我们在世界各地的海洋中都发现了它们。”

一个物种以一种称为内共生的互利关系生活在另一个物种的细胞内是很常见的。 例如，豌豆等豆类根部的细胞含有固氮细菌。 蟑螂的成功部分归功于产生必需营养素的内共生细菌。 有些细胞甚至拥有多种内共生体。

虽然内共生关系可以变得非常密切，但在几乎所有情况下，生物体仍然不同。 例如，豆类从土壤中获取根部细菌。 虽然蟑螂细菌在卵中传递，但它们生活在特殊的细胞中，而不是每个细胞中。

但在三种情况下，内共生体已经与宿主融合，成为宿主的基本组成部分。 产生能量的线粒体源自细菌与另一个简单细胞的合并，形成了复杂的细胞，从而产生了动物、植物和真菌。

当蓝细菌与复杂细胞结合形成叶绿体（进行光合作用的细胞器）时，植物就出现了。 大约 6000 万年前，另一种蓝细菌与变形虫融合，形成了一种不同的光合细胞器，称为色素细胞，这种细胞器只存在于少数物种中。 保利内拉。

十多年来，人们一直怀疑单细胞藻类中存在一种名为 UCYN-A 的蓝细菌。 毕格罗氏球菌 已成为细胞器。 然而，研究这种伙伴关系是很困难的，直到团队成员 萩野恭子 日本高知大学的研究人员找到了保持 毕格罗氏双歧杆菌 活在实验室里。

这使得研究小组能够使用一种称为软 X 射线断层扫描的技术来观察藻类细胞分裂时发生的情况。 由此发现，UCYN-A与藻类细胞协同分裂，每个子细胞继承一个UCYN-A。 “在此之前我们不知道这种关联是如何维持的，”科尔说。

研究小组还发现，UCYN-A 内部大约 2000 种不同的蛋白质中，大约有一半来自藻类宿主，而不是在 UCYN-A 内部产生。

Coale 说，许多进口蛋白质有助于 UCYN-A 固氮。 “我认为藻类细胞正在加强它，以产生比其自身需要更多的氮。”

与其他细胞器一样，似乎还有一个专门的系统可以将蛋白质传递给 UCYN-A。 所有进口的蛋白质都有一个额外的部分，被认为是“地址标签”，标记它们要运送到 UCYN-A。

细胞器没有普遍接受的定义，说 杰夫·埃尔海 在弗吉尼亚联邦大学，但许多生物学家认为协调分裂和蛋白质的输入是关键。

“这两个方框都经过了 Coale 的检查，”Elhai 说道。 “即使对于语义纯粹主义者来说，UCYN-A 也必须被视为一个细胞器，连接着线粒体、叶绿体和色素细胞。”

氮肥的制造和使用是温室气体排放的主要来源，也是农民的开支。 因此，人们对改造农作物非常感兴趣，这样它们就可以像豆类一样固定自己的氮。

实现这一目标的一种方法是为他们的细胞配备硝基塑料，Elhai 已经将其组装在一起 关于如何做到这一点的提案。 但 UCYN-A 并不是一个好的起点，因为它过于依赖于 毕格罗氏双歧杆菌， 他说。

相反，埃尔海设想从蓝藻开始，蓝藻才刚刚开始成为硝基塑料，并且不依赖进口蛋白质，因此它们可以很容易地添加到各种农作物中。

尽管如此，Elhai 同意 Coale 的观点，即研究 毕格罗氏双歧杆菌 可以帮助我们了解如何将固氮作用整合到植物细胞中。