修改教科书的发现：第一种可以固氮的真核生物，1亿年前吞下的细菌进化成了固氮细胞器

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

众所周知，空气中78%是氮气（N 2 ），植物的生长必需依赖氮元素，但植物并不能直接利用空气中的氨气，土壤中可被植物利用的氮绝大多数来自于固氮菌（固氮细菌和古菌）的生物固氮， 直到1909年，弗里茨·哈伯发明了合成氨技术，实现了人工固氮，帮助人类解决了化肥生产和粮食安全的重大问题。

2024年4月11月，加州大学圣克鲁兹分校、加州大学旧金山分校等机构的研究人员合作，在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为： Nitrogen-fixing organelle in a marine alga 的研究论文，该论文还被选为当期封面论文。

教科书告诉我们，生物固氮只发生于细菌和古菌中，而这项研究发现了第一种固氮真核生物，其通过一种名为Nitroplast的新型细胞器来固定氮气 （N 2 ） 。

这一发现意义重大，有助于促进对植物的基因工程改造，设计出能够自行固氮的作物，从而提高作物产量，减少对化肥的需求。此外，该研究也为从内共生体到真正细胞器的转变提供了一个新视角。

2012年，Jonathan P. Zehr团队发现贝氏布拉藻（Braarudosphaera bigelowii） 与一种名为UCYN-A的细菌密切互动，这种细菌似乎生活在该藻类的细胞内或表面。他们认为，UCYN-A将氮气转化为藻类生长所需的氨，作为回报，藻类为其提供生长所需的碳源。

而在这项最新研究中，Jonathan P. Zehr团队得出新结论——UCYN-A应该被归类为藻类内部的细胞器，而不是一个独立生命。大约1亿年前，该细菌与藻类开始了共生关系，最终演变成了藻类细胞中的一个专门用来固氮的细胞器，研究团队将其命名 为——Nitroplast。

研究团队使用两个关键标准来确定细菌是否已经成为宿主细胞中的细胞器。首先，该细菌的细胞结构必须通过宿主细胞代代相传。其次，这种结构必须依赖于宿主细胞提供的蛋白质。

通过对数十个处于细胞分裂不同阶段的贝氏布拉藻细胞进行成像，他们发现，在整个藻类细胞分裂之前，Nitroplast已经一分为二，通过这种方式，一个Nitroplast从亲本细胞传递给它的后代，就像其它细胞器一样。

接下来，研究团队发现，Nitroplast从贝氏布拉藻细胞中获得生长所需的蛋白质，Nitroplast占据该藻类细胞体积的8%以上，Nitroplast缺乏光合作用和制造遗传物质所需的关键蛋白质，必需依赖于藻类产生的许多蛋白质。

研究团队表示，了解Nitroplast是如何与其宿主细胞相互作用的，可以帮助设计出能够自行生物固氮的农作物，从而减少对氮肥的需求，并减少环境破坏。当然，将生物固氮能力引入植物中并非易事。

与细菌等原核生物相比，真核生物拥有复杂的细胞器，例如线粒体和叶绿体，内共生假说认为，真核生物中的线粒体和叶绿体是由细菌进化而来。生物固氮是一些原核生物的特有能力，而这项研究显示， UCYN-A在漫长的进化过程中，与贝氏布拉藻之间超越了内共生，成为了其一种处于早期进化阶段的细胞器。这为从内共生体到真正细胞器的转变提供了一个新视角。

论文链接：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1075

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1222700