将细菌植入真菌中揭示了复杂生命起源的线索

线粒体的出现是真核细胞的重要标志，但线粒体是如何进化的一直是生命科学领域最重要的科学问题。回答这个问题目前最公认的说法是共生假说，就是一个氢气制造细菌在某种机制下进入一个产甲烷古菌，细菌产生氢气给古菌提供原料，细菌消耗氧气给古菌解氧气毒性，古菌则给细菌提供了理想的生活环境，提供基本的代谢物质。细菌进一步给古菌提供ATP。两种生物成功共生进化产生了真核细胞。就是地球上所有真核生命包括植物动物和真菌的共同祖先。但是研究这种过程非常困难，一种思路就是重建这种过程。最近科学家进行了巧妙实验，重建了这种过程。这对于我们理解和解释生命进化过程十分有价值。

在一项巧妙的实验中，生物学家们重建了一个系统，这个系统可能孕育了像线粒体和叶绿体这样的重要细胞特征。

一个植物细胞包含叶绿体（深绿色）——科学家们认为这些特殊的细胞器是从内共生体进化而来的。图片来源：基尔大学的大卫·弗内斯博士/科学照片图书馆

科学家们使用微小的空心针头——以及自行车打气泵——成功地将细菌植入一个更大的细胞中，创建了一种类似于引发复杂生命进化的关系。

这一壮举于10月2日在《自然》杂志上描述，可以帮助研究人员理解超过十亿年前促成被称为线粒体和叶绿体的特殊细胞器的配对的起源。

内共生关系——其中一个微生物伙伴和谐地生活在另一个生物体的细胞内——在包括昆虫和真菌在内的许多生命形式中都有发现。科学家认为，负责细胞能量生产的细胞器线粒体是在一种细菌居住在真核细胞祖先内部时进化出来的。当植物的一个祖先吞噬了一种进行光合作用的微生物时，叶绿体便出现了。

确定形成并维持这些耦合的因素是困难的，因为它们发生在很久以前。为了解决这个问题，由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的微生物学家朱莉娅·沃霍尔特领导的团队在过去几年里一直在实验室工程化内共生体。他们的方法使用一根500-1000纳米宽的针头刺穿宿主细胞，然后逐一输送细菌细胞。

激发共生关系

即使有了这种技术魔法，最初的配对往往也会失败；例如，因为潜在的共生体会分裂得太快并杀死其宿主。团队的运气在他们重现了一种自然共生关系时发生了变化，这种共生关系发生在某些菌株的真菌植物病原体根霉属微孢子和产生一种保护真菌免受捕食的毒素的细菌Mycetohabitans rhizoxinica之间。

研究人员将细菌植入了根霉属真菌——显微镜下可见。

然而，给这些具有厚细胞壁、维持高内部压力的真菌送入细菌细胞是一个挑战。在用针头刺穿细胞壁后，研究人员使用自行车泵——后来是空气压缩机——来维持足够的压力以输送细菌。

自行车打气筒成了这一壮举的关键科学工具！！！

克服了手术的初步冲击后，这些真菌继续进行它们的生命循环并产生了孢子，其中一部分孢子含有细菌。当这些孢子发芽时，下一代真菌的细胞中也出现了细菌。这表明新的内共生关系可以传递给后代——这是一个关键发现。

消失的细菌

但是，含有细菌的孢子的萌发成功率很低。在混合群体的孢子中（一些含有细菌，一些没有），含细菌的孢子在两代后就消失了。为了看看是否可以改善这种关系，研究人员使用荧光细胞分选器选择含有细菌的孢子——这些孢子被标记了一种发光蛋白——并在后续繁殖轮次中只培养这些孢子。到了第十代，含细菌的孢子的萌发效率几乎与不含细菌的孢子一样高。

这种适应的基础尚不清楚。基因组测序确定了与真菌提高萌发成功率相关的少数突变——这是一种自然不携带内共生体的R. microsporus菌株——并且没有发现细菌的变化。

研究合著者、苏黎世联邦理工学院的微生物学家加布里埃尔·吉格表示，最高效萌发的菌株倾向于限制每个孢子中的细菌数量。“这两者之间有方法可以让彼此的生活变得更好、更容易。这对我们理解来说非常重要。”

真菌免疫系统

研究人员对R. microsporus的遗传学了解不多。但是，英国牛津大学的进化生物学家托马斯·理查兹想知道是否一个真菌免疫系统正在阻止共生——以及对这个系统的突变是否可以缓解关系。“我非常喜欢这项工作，”他补充说。

德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的微生物学家伊娃·诺瓦克对共生生活适应似乎如此快速地进化感到惊讶。将来，她很想看到更长时间之后会发生什么；例如，超过1000代。

沃霍尔特表示，工程化这类共生体可能导致开发具有有用特性的新型生物，比如消耗二氧化碳或大气氮的能力。“这就是想法：引入一个生物体所没有的新特性，而这在其他方面很难实现。”