一個罕見的事件給了這種藻類一個可以捕獲和利用氮的細胞器

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種海藻，它含有一種能夠從大氣中收集氮的細胞器——這種能力以前被認(rèn)為是某些共生細菌.

這一發(fā)現(xiàn)背后的國際研究團隊認(rèn)為，藻類的天賦起源于內(nèi)共生關(guān)系，其中固氮藍藻被祖先的海藻細胞吞噬。然后，在相互依賴的極端情況下，細菌完全放棄了自己的有機體，丟棄了許多基因，并依賴單細胞藻類提供支持。

這遠非微生物結(jié)合導(dǎo)致細胞器官形成的唯一例子。生物化學(xué)界的超級巨星葉綠體（將陽光轉(zhuǎn)化為能量的微型工廠，沒有它們，地球上的大多數(shù)生命都是不可能的）和線粒體（細胞的動力源，產(chǎn)生可用的能量形式）也開始作為微生物共享房屋安排。

盡管如此，并不是每天都會遇到一種全新的細胞器，科學(xué)家稱之為“硝基體”。事實上，這只是有記錄的第四個初級內(nèi)共生的例子。

“細胞器從這些類型的東西中產(chǎn)生是非常罕見的，”說加州大學(xué)（UC）圣克魯斯分校生物學(xué)家泰勒·科爾（Tyler Coale）是最近兩篇關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的論文之一的第一作者。

“我們第一次認(rèn)為它發(fā)生了，它引發(fā)了所有復(fù)雜的生命，”他說，指的是線粒體的起源。“一切比細菌細胞更復(fù)雜的東西都歸功于這一事件。

然后，大約十億年前，它再次發(fā)生在葉綠體上，給了我們植物。

固氮細菌對全世界植物的生存至關(guān)重要。它們通常被發(fā)現(xiàn)生活在根瘤中，如果您曾經(jīng)在花園里出土過豌豆或豆類植物，您可能會發(fā)現(xiàn)它。到目前為止，人們認(rèn)為這種關(guān)系可以采取的唯一形式是一種共生形式。

固氮結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)Braarudosphaera bigelowii和它的親戚，在世界海洋中發(fā)現(xiàn)的海藻，化石記錄可以追溯到大約 1 億年前。

然而，幾十年來，研究人員一直在努力在實驗室中培養(yǎng)藻類，因此他們不能確定如果它的固氮成分，稱為UCYN-A，是一種共生細菌，或者已經(jīng)放棄了它的獨立性而成為細胞器。

今年早些時候，今年3月，加州大學(xué)圣克魯斯分校海洋生物學(xué)家喬納森·澤爾（Jonathan Zehr）和其他合作者在《細胞這表明UCYN-A確實具有細胞器的特征，包括與其藻類宿主的生長相關(guān)的尺寸增加，這表明它們的新陳代謝是內(nèi)在相關(guān)的。

但只有當(dāng)共生體開始“扔掉DNA片段”時，Zehr解釋，這種共生關(guān)系變成了，嗯，普通的舊生物。

由于共生入侵者位于細胞核之外，因此其遺傳物質(zhì)在有性生殖過程中不會與細胞自身的DNA一起重新洗牌，從而將其保存在幾代人中。另一方面，宿主細胞核外的任何DNA都有更大的受損風(fēng)險，增加了共生客體的幾率無法再起作用作為一個獨立的單元。

這就是 Coale、Zehr 及其同事在他們的后續(xù)研究： UCYN-A的基因組已經(jīng)縮小得如此之多，以至于它依賴于導(dǎo)入由以下機構(gòu)制造的蛋白質(zhì)B. bigelowii（比格洛維芽孢桿菌）.

“它們的基因組變得越來越小，它們開始依賴母細胞來使這些基因產(chǎn)物 - 或蛋白質(zhì)本身 - 被運輸?shù)郊毎校盳ehr說.

兩個獨立有機體融合的這些時刻打破了進化的線性概念，提醒我們即使在最基本的層面上，生命也比我們往往意識到的更加流動和相互聯(lián)系。

但科學(xué)家們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)也可能對農(nóng)業(yè)和海洋科學(xué)產(chǎn)生重要影響。從熱帶到北極，在世界各大洋中都發(fā)現(xiàn)了不同的UCYN-A菌株，因此硝化體可能是海洋蛋白質(zhì)生產(chǎn)的主要貢獻者。

這項研究發(fā)表在科學(xué)和細胞.

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