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微生物学研究聚焦现代细胞内共生现象

科普小知识2021-11-22 13:08:36
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在蝉的一个特殊器官中,一种内共生细菌分为两种,它们被第三种共生体所包围。资料来源:詹姆斯·范·鲁汶和约翰·麦卡琴

大约20亿年前,原始细胞开始“接受”外星生物,于是生命朝着有利的方向发展。一种曾经独立生活的细菌“定居”在细胞中,并形成称为线粒体的细胞器。线粒体通过氧化糖为其宿主细胞产生能量,同时使一些早期生命能够在地球上氧浓度不断增加的环境中生存。另一种生活在细胞中的细菌成为叶绿体的祖先。叶绿体是光合作用的细胞器。它的出现使得生产植物和藻类成为可能。

研究人员逐渐意识到,这些里程碑事件在当时并不独特。细胞内共生作为生物体和外星人之间的一种互利关系,至今仍然普遍存在,为人们理解生命早期的这一过程提供了参考。

在最近由美国国家科学院和加拿大高级研究所举办的研讨会上,与会的生物学家表示,他们正在研究蝉等昆虫和其他多细胞生物如何与自己细胞中的细菌建立合作关系。这些细菌,就像古代成为细胞器的先驱者一样,帮助宿主细胞提供必要的营养和其他服务。在这个过程中,研究人员了解了宿主细胞和细菌伙伴之间的复杂交易,从而有助于解释线粒体和叶绿体的一些特征。

尽管DNA研究已经使生物学家确信线粒体只经历了一次从一种叫做变形菌的细菌到线粒体的进化,但从那以后,这些细胞器一直在不断地多样化。这种细菌的现代非寄生“亲戚”有数百万个碱基对和2000个基因,但是它们所有的线粒体后代都只有很少的基因,有些只有3个。与此同时,基因组的大小和形状各不相同。最小的线粒体基因组只有6000个碱基对,而人类线粒体DNA有16000个碱基对。一些植物极大地扩展了它们线粒体的基因组,甚至拥有一些明显不重要的DNA。目前,已知最大的基因组有1100万个碱基对,来自一种麝香属开花植物。同时,基因组被分成许多环状染色体,而有些染色体根本不含基因。"线粒体已经成为非常规基因组的无止境的储存库."加拿大西安大略大学的进化生物学家大卫·史密斯说,他们打破了所有的规则。

然而,美国蒙大拿大学的生物学家约翰·麦卡琴说,许多现代内共生生物已经打破了同样的规则,这是基于他自己对蝉的研究。作为刺吸式口器昆虫,蝉从其特殊细胞中的细菌伙伴那里获得在进食过程中丢失的氨基酸。例如,一种叫半壳双壳蝉的蝉有两个这样的伙伴:一个叫何杰金氏,它为蝉提供两种氨基酸;另一种叫做苏尔西亚,它提供了8种其他氨基酸。在另一只蝉中,何杰金氏菌将其DNA加倍,并将其分成两个不同的基因组。提供两种氨基酸的任务也被相应地分配了:一种提供了一些基因,另一种填补了氨基酸生产的空白,从而使两个“物种”在内部共生中至关重要。麦卡琴和他的同事在八月号的《细胞》杂志上报道了这一发现,并在会上展示了这一发现。

同时,科学家们研究了类似于叶绿体复杂进化的现代过程。叶绿体进化发生过一次,然后消失,但在各种现代光合生物中以不同的方式恢复。用于光合作用的细胞器最初是一种被真核细胞吞噬的蓝细菌。长期以来,植物生物学家认为这种原始叶绿体已经消失了。但是当宿主细胞吞噬一种有自己叶绿体的藻类时,新的叶绿体又出现了。

在会议上,不列颠哥伦比亚大学的本土生物学家帕特里克·基林介绍了这一过程的一个更现代的版本——三重内共生。作为单细胞水生原生动物,一些鞭毛藻不再有最初的叶绿体,它们的一些感光器官也变成了细胞成分,称为眼斑。然而,它们通过摄取具有自身光合体的单细胞硅藻来弥补失去的功能。这样,双鞭藻类仍然携带硅藻细胞核和线粒体。

W.加拿大达尔豪西大学退休名誉教授、分子进化生物学家福特·杜利特尔(Ford Doolittle)表示,所有这些研究成果“让细胞器变得不那么特别”,并使内共生成为细胞器进化的理想模型,“这是该领域一个有趣的范式转变”。(宗华)

《中国科学报》(国际版,第三版,2014年11月13日)

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