内共生的起源:微生物与真菌之间的复杂关系
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内共生(endosymbiosis)是一种特殊的生物关系,其中一种生物生活在另一种生物的细胞内部。这种现象不仅在生态系统中普遍存在,也对生命的演化产生了深远影响。线粒体就是内共生的一个重要例证,它源于古代细菌与宿主细胞的合作关系,最终演变成现代植物、动物和真菌细胞中的重要结构。然而,内共生关系是如何开始的,仍然是一个待解的科学问题。
研究表明,当细菌进入完全不同的宿主细胞时,它们面临着生存和繁殖的重大挑战。为了在宿主内生存,细菌不仅需要获得足够的营养,还需避免过快生长,从而对宿主产生威胁。这一微妙的平衡决定了内共生关系的持续与否。
近日,苏黎世联邦理工学院的Julia Vorholt教授领导的研究团队,利用实验室手段探讨了内共生关系的起源。他们的研究成果发表于2024年10月2日的《Nature》期刊,论文标题为“Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi”。研究者们的目标是模拟内共生的初始阶段,以深入了解这一复杂关系是如何建立的。
在实验中,博士生Gabriel Giger开发了一种新方法,能够在不破坏真菌小孢根霉(Rhizopus microsporus)细胞的情况下,将细菌注入其中。研究中使用了两种细菌:一种是大肠杆菌(E. coli),另一种是栖真菌细菌属(Mycetohabitans)的细菌,后者是与另一种根霉真菌的天然内共生菌。在实验过程中,Giger观察到了强制内共生时的各种反应。
结果显示,当大肠杆菌被注入小孢根霉细胞后,细菌和真菌均继续生长。然而,大肠杆菌的生长速度极快,最终导致小孢根霉对其产生免疫反应,试图通过包裹细菌来保护自己,从而阻止了细菌传给下一代。与此形成鲜明对比的是,当注射栖真菌细菌属的细菌时,情况却有所不同。部分细菌成功进入了小孢根霉的孢子中,得以传递给下一代。这一发现被研究者视为内共生关系的突破。
尽管内共生初期可能导致宿主真菌的适应性下降,但研究团队通过实验发现,经过几代选择,含有细菌的真菌最终得以恢复并产生更多有生命力的孢子。基因分析表明,真菌在适应定居的细菌时发生了变化,甚至与细菌共同产生有助于营养获取和抵御敌害的生物活性分子。Vorholt强调,起初的不利条件可以在进化中转变为优势。
然而,研究也揭示了早期内共生系统的脆弱性。在自然环境中,宿主真菌的适应能力若出现明显下降,可能导致内共生关系的破裂。Vorholt指出,成功的新内共生系统必须具备明显的共生优势,而这种优势通常来源于未来常驻生物的有利特性。这为宿主提供了吸收新特性的机会,即使过程伴随一定的适应挑战。
研究团队的成果不仅加深了我们对内共生起源的理解,还为生物间的复杂关系提供了新的视角。随着内共生现象的进一步研究,科学家们可能会发现更多关于生命演化的秘密,以及生物如何通过内共生达到新的生存和适应境界。未来的研究有望揭示更多内共生的机制,帮助我们理解生态系统的动态平衡及其对生命演化的深远影响。
2025-01-19
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