真菌中的细菌为复杂生命的起源提供了线索

真菌中的细菌为复杂生命的起源提供了线索

科学家们使用微小的空心针和自行车打气筒成功地将细菌植入到更大的细胞中。这创造了一种类似于推动复杂生命进化的关系。

该成果发表于 10 月 2 日《自然》杂志 1 ，可以帮助研究人员了解十亿多年前导致线粒体和叶绿体等特殊细胞器出现的伙伴关系的起源。

内共生关系，即微生物伙伴和谐地生活在另一种生物体的细胞内，这种关系存在于许多生命形式中，包括昆虫和真菌。科学家认为，当一种细菌在真核细胞的祖先中找到庇护所时，线粒体（负责细胞内能量产生的细胞器）就出现了。当植物的祖先吸收光合微生物时，叶绿体就出现了。

确定形成和维持这些联系的因素很困难，因为它们发生得太久远了。为了解决这个问题，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）微生物学家 Julia Vorholt 领导的团队近年来在实验室中开发了内共生关系。他们的方法使用 500-1000 纳米宽的针刺穿宿主细胞，然后一次引入一个细菌细胞。

然而，第一次尝试常常失败。造成这种情况的原因之一是潜在的共生体分裂得太快并杀死了宿主 2 。当研究小组在真菌植物病原体小孢子根霉和根霉菌的一些菌株之间重新建立自然共生关系时，他们取得了更大的成功，后者产生一种毒素，可以保护真菌免受捕食。

然而，将细菌细胞引入真菌中具有挑战性，因为它们具有厚厚的细胞壁，可以维持较高的内部压力。用针刺穿墙壁后，研究人员使用自行车打气筒（后来是压缩机）来维持足够的压力以引入细菌。

在“手术”最初的冲击之后，真菌继续它们的生命周期，产生孢子，其中一些含有细菌。当这些孢子萌发时，细菌也存在于下一代真菌的细胞中。这表明新的内共生可以转移给后代——这是一个至关重要的发现。

然而，含细菌孢子的发芽成功率很低。在孢子的混合群体中（一些带有细菌，一些没有），含有细菌的孢子在两代后就消失了。为了改善关系，研究人员使用荧光细胞分选仪来选择含有细菌的孢子（这些孢子已被发光蛋白标记），并在未来的繁殖中仅繁殖这些孢子。经过十代后，含有细菌的孢子几乎与不含细菌的孢子一样有效地发芽。

此次调整的依据尚不清楚。基因组测序发现了一些与真菌（一种未知携带内共生体的小孢子菌菌株）发芽成功率提高相关的突变，但发现细菌没有变化。

该研究的合著者、苏黎世联邦理工学院的微生物学家加布里埃尔·吉格（Gabriel Giger）表示，发芽效率最高的品系似乎限制了每个孢子中的细菌数量。 “有很多方法可以让这两个伙伴更好、更轻松地生活在一起。这对我们来说非常重要。”

研究人员对真菌的免疫系统还知之甚少。但英国牛津大学的进化生物学家托马斯·理查兹想知道真菌免疫系统是否会阻止共生，以及该系统的突变是否可以促进这种关系。 “我是这项工作的忠实粉丝，”他补充道。

德国杜塞尔多夫海因里希海涅大学的微生物学家伊娃·诺瓦克 (Eva Nowack) 对共生生命的适应速度似乎如此之快感到惊讶。未来，她想看看更长的时间之后会发生什么；例如，经过1000多代之后。

沃霍尔特说，这种共生关系的发展可能会导致具有有用特性的新生物体的产生，例如消耗二氧化碳或大气中氮的能力。 “这就是我们的想法：创造有机体不具备的新特性，否则很难实现。”

1. 吉格尔，G.H.等人。自然 https://doi.org/10.1038/s41586-024-08010-x (2024)。

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2. Gäbelein, C. G.、Reiter, M. A.、Ernst, C.、Giger, G. H. 和 Vorholt, J. A. ACS Synth。生物。 11, 3388–3396 (2022)。

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