《Science》封面挑战现代教科书，一个长达数十年的谜团被解开了

　　

现代生物学教科书断言，只有细菌才能从大气中吸收氮，并将其转化为生命可用的形式。固氮的植物，如豆科植物，是通过在根瘤中藏匿共生细菌来实现的。但最近的一项发现颠覆了这一规律。

在最近的两篇论文中，一个国际科学家小组描述了真核细胞内已知的第一个固氮细胞器。细胞器是原生内共生历史上的第四个例子-原核细胞被真核细胞吞噬并从共生进化成细胞器的过程。

加州大学圣克鲁斯分校(UC Santa Cruz)的博士后学者Tyler Coale说:“细胞器从这类东西中产生是非常罕见的。”他最近发表了两篇论文中的一篇。“我们第一次认为它发生了，它产生了所有复杂的生命。所有比细菌细胞更复杂的东西的存在都归功于这一事件，”他指的是线粒体的起源。Coale说:“大约10亿年前，叶绿体又发生了同样的事情，于是我们有了植物。”

第三个已知的例子涉及一种类似叶绿体的微生物。最新的发现是固氮细胞器的第一个例子，研究人员称之为硝化质体。

一个长达数十年的谜

细胞器的发现需要一点运气和几十年的努力。1998年，加州大学圣克鲁兹分校海洋科学杰出教授Jonathan Zehr在太平洋海水中发现了一段似乎来自一种未知的固氮蓝藻的短DNA序列。Zehr和同事们花了数年时间研究这种神秘的生物，他们将其命名为UCYN-A。

与此同时，日本高知大学(Kochi University)的古生物学家Kyoko Hagino正在努力培养一种海藻。它原来是UCYN-A的宿主生物。Hagino花了超过300次采样考察和十多年的时间，最终成功地培养出了这种藻类，使其他研究人员可以开始在实验室里一起研究UCYN-A和它的海洋藻类宿主。

多年来，科学家们一直认为UCYN-A是一种与藻类密切相关的内共生体。但最近的两篇论文表明，UCYN-A在过去的共生关系中与宿主共同进化，现在符合细胞器的标准。

细胞器的起源

在3月份发表在《Cell》杂志上的一篇论文中，Zehr和来自麻省理工学院、巴塞罗那城市研究所和罗德岛大学的同事们表明，在不同种类的海洋褐藻Braarudosphaera bigelowii中，UCYN-A和它们的藻类宿主之间的大小比例是相似的。

研究人员使用一个模型来证明宿主细胞和UCYN-A的生长是由营养物质交换控制的。他们的新陈代谢是有联系的。这种生长速率的同步使得研究人员将UCYN-A称为“类细胞器”。

“这正是细胞器所发生的事情，”Zehr说。“如果你观察一下线粒体和叶绿体，就会发现它们是一样的:它们与细胞成比例。”

但在确认其他证据之前，科学家们并没有自信地将UCYN-A称为细胞器。在《Science》杂志的封面文章中，来自加州大学圣克鲁斯分校的Zehr、Coale、Kendra Turk-Kubo和Wing Kwan，以及来自加州大学旧金山分校、劳伦斯伯克利国家实验室、国立台湾海洋大学和日本高知大学的合作者表明，UCYN-A从宿主细胞中进口蛋白质。

Coale说:“这是某种生物从内共生体向细胞器转变的标志之一。它们开始丢弃DNA片段，它们的基因组变得越来越小，它们开始依赖母细胞将这些基因产物或蛋白质本身运送到细胞中。”

Tyler Coale负责这项研究的蛋白质组学。他比较了在分离的UCYN-A中发现的蛋白质与在整个藻类宿主细胞中发现的蛋白质。他发现宿主细胞制造蛋白质，并用特定的氨基酸序列标记它们，这告诉细胞将它们送到硝化质体。然后硝基质体输入蛋白质并使用它们。Coale发现了其中一些蛋白质的功能，它们填补了UCYN-A中某些通路的空白。

Zehr说:“这有点像这个神奇的拼图游戏，实际上可以组合在一起并起作用。”

在同一篇论文中，来自加州大学旧金山分校的研究人员表明，UCYN-A与藻类细胞同步复制，并像其他细胞器一样遗传。

改变观点

这些独立的证据表明，UCYN-A已经超越了共生体的作用。线粒体和叶绿体是在数十亿年前进化的，而硝质体似乎是在大约1亿年前进化的，这为科学家们提供了一个新的、更近的关于器官发生的视角。

细胞器还提供了对海洋生态系统的洞察。所有生物都需要生物可用形式的氮，而UCYN-A因其从大气中固定氮的能力而具有全球重要性。研究人员发现，从热带到北冰洋，它无处不在，它能固定大量的氮。

“这不仅仅是另一个玩家，”Zehr说。

这一发现也有可能改变农业。从大气中的氮合成氨肥料的能力使农业和世界人口在20世纪初开始腾飞。它被称为哈伯-博世过程，它使世界上大约50%的粮食生产成为可能。它还产生了大量的二氧化碳:大约1.4%的全球排放量来自这个过程。几十年来，研究人员一直试图找到一种将自然固氮结合到农业中的方法。

Coale说:“这个系统是研究固氮的一个新视角，它可能为如何将这种细胞器改造成农作物提供线索。”

但关于UCYN-A及其藻类宿主的许多问题仍未得到解答。研究人员计划更深入地研究UCYN-A和藻类的运作方式，并研究不同的菌株。

加州大学圣克鲁斯分校的助理教授Kendra Turk-Kubo将在她的新实验室继续这项研究。Zehr希望科学家们能找到其他与UCYN-A有着相似进化故事的生物，但这是第一次，这一发现是教科书式的新发现。

参考文献:

“Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis” by Francisco M. Cornejo-Castillo, Keisuke Inomura, Jonathan P. Zehr and Michael J. Follows, 11 March 2024, Cell.

“Nitrogen-fixing organelle in a marine alga” by Tyler H. Coale, Valentina Loconte, Kendra A. Turk-Kubo, Bieke Vanslembrouck, Wing Kwan Esther Mak, Shunyan Cheung, Axel Ekman, Jian-Hua Chen, Kyoko Hagino, Yoshihito Takano, Tomohiro Nishimura, Masao Adachi, Mark Le Gros, Carolyn Larabell and Jonathan P. Zehr, 11 April 2024, Science.