单细胞藻类与固氮细菌的共生

生物通,2012年09月21日

科学家们在微型单细胞藻类和高度专业化细菌之间发现了一种前所未有的共生关系。这种共生关系在海洋生态系统中起着重要的作用。相关研究成果发表在9月21日出版的Science杂志上，解析了一个具有大幅减少基因组的神秘固氮微生物。

这种微生物最早是1998年，由加州大学的海洋科学教授 Jonathan Zehr发现的，现在发现它好像是海洋中最普遍的固氮生物。这种微生物属于一组被称为蓝藻的光合细菌，但缺乏进行光合作用和其他重要代谢途径的必需基因。显然，它是光合作用的宿主细胞结合在一起，因此不再需要这些基因。

“蓝藻是一种固定氮的生物，所以它为宿主细胞提供氮气，宿主细胞则为它提供碳元素，这是蓝藻本身缺乏代谢机制能获得的，”文章的第一作者，加州大学圣克鲁兹分校博士后研究员 Anne Thompson说。

虽然共生合作关系尚未在实验室中证实，但Zehr研究组通过细胞分选，基因测序，以及其它技术，描述了这两个伙伴的特征。其中宿主细胞是一种单细胞藻类，被称为“prymnesiophytes”，这在全球的海洋中都有分布。通过流式细胞仪检测，研究人员根据细胞大小和颜色分离海水样本中的细胞，宿主细胞是在“光合作用picoeukaryotes”中被发现的，这是一类混居的，大小为1-3微米的微小单细胞藻类。

“除了固氮对于海洋生态系统的重要性，这项研究还发现了一个有趣的共生关系，从进化的角度来看，这种关系可以被看作是类似于叶绿体内共生的早期阶段”，Zehr说。

叶绿体是所有植物进行光合作用的机器，由最终纳入其宿主细胞的共生蓝藻通过一个称为内共生的过程进化而来。最新发现的固氮关系中，蓝藻多见于宿主细胞一端的压缩。

“在这一点上，目前还不清楚究竟蓝藻与宿主细胞是如何相互关联的，这看起来有可能是宿主细胞中有一个小槽，能让蓝藻安装上去，”Thompson说，“这种连接很牢靠，通过细胞分选仪和其他样品准备工作都没有分开，而且微妙的是如果它们被过滤或冻结和解冻，就会分开。”

通过对宿主细胞进行遗传分析，研究人员发现其最近的“亲戚”是一种Braarudosphaera bigelowii。Prymnesiophytes的许多种类，包括B. bigelowii中，细胞会形成外部钙化板，这表明共生的宿主细胞在海水样品处理过程中，可能有容易脱落，“这很重要，因为带有钙化板的细胞下沉的速度比其他生物快，因此他们固定的碳最终被运到深海海底，”Zehr说。
Zehr指出很难估计此共生关系对全球碳和氮周期的影响。但蓝藻的合作伙伴很可能会对全球海洋中氮固定作出重大贡献，他说。

“浮游的共生关系难以分析，因为其关系往往是脆弱的，很难保持完好，” Foster说，“我们采用了多种工具，保持完整关系，从中确定了浮游生物中一个看似互惠的伙伴关系的第一个例子。”

Zehr已将这种蓝藻命名为Candidatus Atelocyanobacterium thalassa.（“Candidatus”代表着临时名称，因为细菌命名的规则要求微生物要在培养基中生长后，才能取正式名称）。