摘要：共生硅藻链及其N2固定蓝藻共生体。在明视野(顶部)中，共生体在宿主体内不明显，而在落射荧光(底部)中，共生体的细丝(箭头)很容易被区分。鸣谢:Dr. Vesna Grujcic.博士。

共生硅藻链及其N2固定蓝藻共生体。在明视野(顶部)中，共生体在宿主体内不明显，而在落射荧光(底部)中，共生体的细丝(箭头)很容易被区分。鸣谢:Dr. Vesna Grujcic.博士。

藻类和细菌之间的微观联盟提供了细菌如何失去基因并适应日益增加的宿主依赖性的罕见的逐步快照。斯德哥尔摩大学的研究人员与瑞典农业科学大学和林奈大学合作的一项新研究表明了这一点，该研究发表在《当代生物学》上。

在我们海洋中一些最缺乏营养的水域，微小的合作伙伴很难维持生命。这些被称为共生的伙伴关系是在被称为硅藻的微观藻类和一种被称为蓝细菌的特定细菌之间，这种细菌可以从空气中吸收氮并将其转化为生物可以利用的形式。

在这些共生体中，蓝细菌属于Richelia属，它们的主要作用是向它们的硅藻宿主提供氮。硅藻宿主是高度活跃的光合作用者。光合作用是所有植物、藻类和一些细菌共有的代谢过程，它们利用阳光能量将二氧化碳(CO2)还原成化学能，通常是糖的形式。

Richelia与它们的硅藻宿主的物理相互作用差异很大。一些Richelia附着在宿主的外部生活，另一些生活在硅藻的外部细胞壁(称为截体)和内部细胞膜之间的空间，还有一些完全生活在内部。这种整合的“连续体”反映了伙伴关系的不同阶段，并为研究人员提供了一个独特的机会，在他们关系的不同时间点检查进化过程。

“总的来说，随着共生体变得越来越依赖它们的宿主，它们变得越来越融入宿主，例如，生活在宿主细胞内，并开始丢失宿主多余的基因组信息，”合著者，Rachel Foster斯德哥尔摩大学的雷切尔·福斯特教授解释道。

一条公海共生硅藻Hemiaulus hauckii及其N2固定蓝细菌共生体Richelia euintracellularis(黄色细丝)。信用:Sepehr Bardi

博士后研究人员Vesna Grujcic博士使用比较基因组学的方法，确定了不同Richelia的几个基因组特征反映了进化过程中的关键过渡阶段。

“随着Richelia变得越来越依赖它们的宿主，它们携带的基因组发生了很大变化。我们可以看到哪些基因消失了，哪些基因留了下来——这给了我们一个罕见的视角，让我们看到这些伙伴关系是如何一步一步进化的。此外，通过将Richelia与其他固氮蓝藻共生体进行比较，我们发现了基因缺失的共同模式和反映每个谱系进化路径的独特变化，”Grujcic说。

“这项研究最让我兴奋的是，实现完全集成的不同步骤共生者同时存在。林奈大学的丹尼尔·伦丁说:“这让我们能够研究共生体如何进化成完全依赖宿主的生活方式背后的遗传学。”。

Grujcic领导了泛基因组分析，确定了所有Richelia共有的一组基因(核心基因组)以及不同物种之间不同的附属基因。Grujcic与瑞典农业科学大学的Maliheh Mehrshad一起，也研究了基因组减少的模式，基因间间隔区的大小和分布，以及假基因化的程度——当基因积累突变并失去功能时。

“Richelia与其宿主之间的整合水平不仅影响基因组大小和基因内容，还影响编码区域的比例DNA中携带制造蛋白质指令的部分。观察非编码DNA，如基因间间隔区和不再起作用的断裂基因(假基因)，也能告诉我们许多关于它们进化旅程的信息，”Mehrshad说。

公海共生硅藻及其N2固定蓝细菌共生体的落射荧光图像。共生体自动发出黄色荧光，而硅藻叶绿体发出红色荧光。共生体存在于内部(内共生体，左)，或过渡(部分内共生体，中)，或附着(外共生体，右)。致谢:Rachel A Foster

另一个有趣的结果来自斯德哥尔摩大学前博士后研究员Theo Vigil-Stenman的工作，他描述了所有插入序列和转座子——被称为“跳跃基因”的DNA片段，因为它们可以在基因组内移动遗传信息。

研究人员早些时候注意到，部分整合共生体的基因组生活在硅藻的外细胞壁和内细胞膜之间，仅比附着在宿主硅藻外部的共生体略小，并且缺少与最内部共生体相似的代谢途径。通常情况下，随着共生体变得更加整合，或者在各自的宿主体内生活得更远，基因组的大小就会减小。

“尽管缺乏几种功能代谢途径，我们不明白为什么它能保持这种基因组大小，”福斯特反映说。" Theo Vigil-Stenman发现，这些部分整合的共生体基因组充满了插入序列，从而扩大了它们的基因组大小."

该研究小组认为，这些硅藻-Richelia共生体代表了一个研究共生体基因组进化有价值的模型。这项工作为进化提供了一个独特的视角，因为在过渡阶段很少有已知的共生例子。这种比较分析在浮游系统中是罕见的，并将硅藻Richelia伙伴关系与其他著名的共生模型放在一起。

然而，要了解生活在共生体中如何影响宿主硅藻基因组的进化轨迹，以及如何将这种N2修复共生体的模型用于其他领域，还有很多工作要做。例如，这种系统能否为合成生物学提供有价值的见解，以制造固定N2的作物？

来源：奇幻科学岛