细菌注射到真菌并存活的新研究范式

博主点评

真核细胞和植物的叶绿体是共生微生物的后代，这是越来越公认的假说，但是如何对微生物共生过程进行研究，一直没有取得进展。这一研究把细菌注射到真菌获得的成功，将为这个进化生物学重大假说提供直接证据和过程细节。具有特别重要的意义。相信这一研究将带来一批研究跟随者，也会产生一系列高质量的研究成果。

这显然是一种新的研究范式，将来或许有更多其他类型，例如将容易存活的细菌经过共生进化保留下来，是否能培养出线粒体或叶绿体的早期品种，并对更多类型的真核生物如动植物甚至人类细胞进行共生相关研究。

Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi | Nature

当细菌进入真菌并存活几代时会发生什么

生活在其他细胞内的细菌可以与宿主形成稳定、互惠互利的伙伴关系，但两种生物体在第一次相遇时就充分兼容的情况很少见。将细菌注射到潜在的真菌宿主中可以深入了解形成这种伙伴关系的早期进化动力学，以及相关的成本和机会。

问题

当一种细菌永久生活在一个更大的宿主细胞内并代代相传时，这两种生物体就成为一个进化单位。这个单位可以拥有两个生物体本身都没有的能力。古代内共生体（生活在其他生物体内并与宿主形成互利关系的生物体）最突出的例子是线粒体和叶绿体，它们进化成细胞器，但内共生体更广泛，并且有多种配对1.对现有内共生伙伴关系 （endosymbioses） 的研究为它们的进化提供了见解。例如，内共生体基因组的侵蚀与对宿主和宿主控制的依赖性增加有关2.然而，内共生的最早步骤尚不清楚3.对于随意进入潜在宿主体内的细菌，存活、分裂和传播给下一代宿主的机会很低。必须满足许多兼容性 — 例如，在营养、免疫力和生长速度方面4.

观察

我们开发了一种方案，将细菌直接注射到真菌宿主的胞质溶胶中。这种方法使我们能够定义潜在共生相互作用的起点，并通过共聚焦显微镜实时观察由此产生的动态。在这些实验中，我们使用丝状真菌 Rhizopus microsporus 作为宿主。该物种的一些菌株与 Mycetohabitans rhizoxinica 细菌形成互惠互利的内共生伙伴关系，而其他菌株则缺乏任何天然内共生体。然而，由于它们的进化相关性，我们推测这些不承载内共生体的 R. microsporus 菌株将具有内共生的内在兼容性。这应该使我们能够研究注射细菌的命运，这些细菌在不同程度上适应了内共生的生活方式。

当我们将模型细菌大肠杆菌注射到这些菌株中时，我们观察到真菌和细菌的生长。但细菌迅速繁殖并诱导了真菌防御反应，从而捕获了细菌并防止它们通过孢子传递给下一代。相比之下，当我们注射根瘤菌时，一些细菌设法到达孢子。我们使用细胞分选仪收集含有细菌的孢子，其中一些发芽，证明诱导的内共生垂直传播（转移到后代）（图 1a）。然而，少数定植的孢子发芽成功率较低。当我们在几代人中重复繁殖系统，选择与细胞分选仪的内共生时，适应性（即活孢子的数量）会随着时间的推移而提高（图 1b）。我们使用双方的性状测量和基因组测序验证了这种适应性。此外，我们表明内共生体与其宿主合作产生生物活性分子，帮助通常的天然宿主获取和防御食物5.因此，内共生体扩大了其新宿主的代谢能力。

图 1 |诱导的内共生传播给后代。 a，来自天然非内共生体携带 （NH） 的微孢根霉菌株的真菌发芽孢子的宽场显微照片，与来自荧光标记细菌的信号重叠，黄色。胚芽是从含有细菌的细胞分选孢子中生长出来的，证明了细菌的遗传性。比例尺，20 微米。b，显示配对的适应度指数的图表，该指数是根据含有细菌的孢子数量和这些孢子的发芽成功率计算得出的。数据点显示了在整个适应性进化实验中传播的不同线（显示了第 1、3、7 和 10 轮），并显示出随着时间的推移而有强烈的适应度增加。图片来源：Giger， G. H. et al./自然 （CC BY 4.0）

影响

我们的实验强调了当内共生开始形成时，初始相容性对于实现进化过程的重要性。细菌内共生体必须能够获得在潜在宿主体内生长所需的所有营养物质，但它们也必须能够逃避或应对宿主免疫。我们现在可以研究丝状真菌中的这些共生合并，并且通过在实验室中跟踪适应性进化，可以确定稳定伙伴关系和实现长期生存所需的功能。

决定初始相容性（或不相容性）的分子机制需要进一步研究。在古代真菌中，这并非易事，因为人们对其遗传库知之甚少。解决随机性问题也将是关键，因为不同的机制可能会独立地赋予适应性进化的适应度优势。

通过将细菌植入更广泛的生物体中来诱导内共生，再加上对由此产生的代谢和基因组变化的详细分析，将有助于揭示各种配对中内共生先决条件的差异和共性。— Gabriel H. Giger 和 Julia A. Vorholt 在瑞士苏黎世苏黎世联邦理工学院 （ETH Zurich） 工作。

专家意见

作者研究了细菌植入真菌中，作为建立和研究细菌和真菌之间内共生关系的新方法，这是真菌生物学和进化的一个令人兴奋且相关的话题。我相信作者的方法将有助于回答许多其他开放和有趣的问题，例如双方都会发生哪些分子反应以实现适应。— Laila P. Partida-Martinez 在墨西哥伊拉普阿托国家理工学院 （Cinvestav） 研究和高级研究中心工作。

论文背后

我们使用的注射技术的一个主要优势是我们可以在诱导细胞内合并后立即进行显微镜观察4.这使我们能够区分几种不同的兼容性和不兼容性。在我们对迷人的 R. microsporus–M. rhizoxinica 系统感兴趣后，我们在尝试将细菌注射到硬壁和高压真菌丝中时遇到了几个技术障碍。但是，在使用更锋利的尖端、更高的压力和软化酶之后，我们的第一次成功细菌注射立即显示出大量有趣的行为。尽管如此，这种真菌在 3D 中的快速丝状生长使该系统中的实验变得复杂。幸运的是，使用细胞分选设施使我们能够以高灵敏度跟踪共生关系，并在强大的选择压力下将其稳定下来。鉴于这些关联在自然界中的丰富性和生态重要性，我们很高兴能够推进细菌-真菌内共生的研究。— G.H.G.

来自编辑的看法

从编辑的角度来看，将细菌植入非宿主真菌中以从头开始产生内共生关系是极具创新性的。获得的关于配对成功基础的表型和遗传学的见解不仅对共生领域更普遍感兴趣，而且与具有理想性状的合成共生体的工程相关。— 《自然》编辑团队