《Science》发现世界上第一个固氮真核生物

科学家认为是藻类内共生体的东西原来是一种细胞器。

　　

大多数生物体需要氮来产生生物分子，如核苷酸和氨基酸，但直到最近，人们才知道只有原核生物可以从大气中固定氮。

在《Science》杂志最近的一篇文章中，加州大学圣克鲁斯分校的海洋微生物学家Tyler Coale颠覆了这一理论。Coale和他的同事们发现，真核海藻Braarudosphaera bigelowii中有一种固定氮的细胞器——硝化质体。

“这是一篇非常有趣的论文，”牛津布鲁克斯大学（Oxford Brookes University）的植物细胞生物学家Verena Kreichbaumer说，她没有参与这项研究。“这是建立在大量控制基础上的可靠科学。”

研究人员并没有从寻找新的细胞器开始。几年前，加州大学圣克鲁兹分校（University of California, Santa Cruz）的海洋微生物学家、该研究的合著者John Zehr对海洋微生物如何获取和利用氮很感兴趣。Zehr在海洋中搜寻具有与固氮酶（一种大型酶）同源DNA序列的微生物，发现了许多序列变异。其中一种来自候选蓝细菌（Candidatus atelcyanobacterium Thalassa, UCYN-A），地理分布广泛。

当时，Zehr和他的团队对其整个基因组进行了测序，发现UCYN-A与海藻B. bigelowii有关。

Coale目前是Zehr实验室的博士后，他说：“他们只是假设UCYN-A是一个共生体。它没有制造蛋白质、氨基酸和DNA的基因，也没有制造所有细胞所需的基本物质的基因。”

共生体在自然界中很常见。但到目前为止，已知只有三种进化成细胞器。光合丝足虫（Paulinella chroophora）的叶绿体和染色质被认为是来自不同目的光合蓝藻，而线粒体则被认为是光合紫色细菌的后代。

Coale和他的同事们想要确定UCYN-A是作为一种内共生体还是进化成一种细胞器。进一步的研究需要发现这一点，需要在培养中种植大叶芽孢杆菌。幸运的是，高知大学的进化生物学家Kyoko Hagino-Tomioka是这篇文章的合著者之一，她多年来一直在日本沿海水域收集B. bigelowii，并研究它们的运动和非运动阶段。由于对它们产生的晶体结构很感兴趣，她在家里的实验室里学习了10多年培养这些生物（作为客座讲师，Hagino-Tomioka没有进入大学实验室的机会）。

“这是一种兴趣驱使的劳动，她不知道它的方向，”Coale说。Hagino-Tomioka利用古生物学和分子系统发育方法研究海洋单细胞球石藻的多样化。

一旦跨越了培养B. bigelowii的障碍后，劳伦斯伯克利国家实验室的生物物理学家、该研究的合著者Carolyn Larabell就开始工作了。她和她的团队使用软x射线断层扫描来观察B. bigelowii体内的UCYN-A。研究小组在断层扫描中注意到线粒体缠绕在UCYN-A周围。“这不仅仅是你在教科书上看到的经典豆形线粒体，”Coale说。相反，它拥抱UCYN-A，好像是为了直接提供ATP来固定氮，Coale说。

他们还发现UCYN-A与其他细胞器同步分裂，这一数据有助于他们确定UCYN-A是一个真正的细胞器。

进一步的证据表明，UCYN-A作为一个细胞器的行为来自其蛋白质组的研究。曾经是内共生体的细胞器已经减少了基因组。随着时间的推移，它们失去了自己的基因，因为它们通过核编码基因获得了如此多的蛋白质。Coale的蛋白质组学研究表明，UCYN-A从B. bigelowii获得了用于氨基酸和嘧啶生物合成以及固氮等基本功能的蛋白质。Coale说：“在那里看到黄素氧还蛋白（flavodoxin）真的很令人惊讶。Flavodoxin蛋白是许多生物体中用于固氮的氧化还原蛋白。它从细胞质输入表明UCYN-A不独立进行固氮。我试图让它自己固定氮，这是一件很难表现出来的事情，但我没有成功。”

众所周知，到达线粒体或叶绿体的蛋白质，或到光合丝足虫（Paulinella chroophora）的染色质的蛋白质，都含有引导蛋白质到达目的地的转运序列。Coale发现，用于UCYN-A的核编码蛋白质也含有额外的氨基酸。科学家们利用转运肽的长度来确定细胞器从内共生体进化而来的时间。例如，通往线粒体和叶绿体的蛋白质非常短，只有几个氨基酸。这表明，在漫长的进化过程中，它们的长度随着功能的优化而缩短。线粒体和叶绿体被认为有超过10亿年的历史。相比之下，UCYN-A和Paulinella的染色质转运序列只有100个氨基酸长，这表明它们是更年轻的细胞器，可能只有1亿年的历史。

“我们现在对这种细胞器中可能发生的生物化学有了更多的了解，”Coale说，“以及它是如何与细胞代谢的其余部分相结合的。”