一种内共生菌可通过呼吸硝酸盐为宿主提供能量

科学家们发现了一种非凡的新型共生形式--一种细菌生活在单细胞生物（纤毛虫）体内，并为其提供能量。 与使用氧气的线粒体不同，这种微生物通过呼吸硝酸盐为宿主提供能量。

最初发现的内共生菌“Candidatus Azoamicus ciliaticola”及其纤毛虫宿主的插图。该图是扫描电子显微镜图像（SEM，灰色）和荧光图像的合成图。可以看到食物液泡中的内共生菌（黄色）和细菌猎物以及大细胞核（蓝色）。弱荧光纤毛虫的外部结构以及纤毛也清晰可见。图片来源：S. Ahmerkamp/马克斯普朗克海洋微生物研究所

研究人员最初是在一个淡水湖中发现这种微生物的，随后他们开始确定这种微生物的分布范围。 出乎他们意料的是，他们在世界各地不同的环境中发现了这些微生物，从湖泊和地下水甚至到废水。 这一发现挑战了我们对微生物伙伴关系的理解，揭示了这些微小生物如何在全球生态系统中发挥着隐秘而重要的作用。

2021 年，德国不来梅马克斯-普朗克海洋微生物研究所的科学家取得了一项重大发现：一种独特的细菌生活在纤毛虫（一种单细胞真核生物）体内，并为其提供能量。 这种共生关系类似于线粒体在细胞中所起的作用，但有一个重大区别：这种内共生菌不使用氧气，而是通过硝酸盐呼吸产生能量。

为了更好地了解这些不同寻常的微生物的分布和多样性，不来梅的研究人员扩大了他们的研究范围。 现在，不来梅的研究人员开始进一步了解这些奇特共生体的环境分布和多样性。马克斯-普朗克海洋微生物研究所的雅娜-米卢卡解释说："在淡水湖中首次发现这种共生体后，我们想知道这些生物在自然界中的常见程度。 它们是否极为罕见，因此长期以来一直未被发现？ 或者它们是否存在于其他地方，如果存在，它们的新陈代谢能力如何？"

为了找到答案，科学家们搜索了包含大量环境样本遗传数据的大型公共测序数据库。 他们的发现令人惊讶：这些共生体出现在大约1000个不同的数据集中。 米卢卡说："我们很惊讶它们如此无处不在。 我们可以在每个有人居住的大陆上找到它们，此外，我们还了解到，它们不仅可以生活在湖泊和其他淡水栖息地，还可以生活在地下水甚至废水中。"

科学家们在这些数据集中不仅发现了原始共生体，还发现了一些新的近亲。"我们最终确定了四个新物种，其中两个实际上构成了一个新属。 "第一作者达恩-斯佩思（Daan Speth）解释说，"由于这一新属的共生体可能与最初发现的Azoamicus（名字的意思是"氮朋友"）具有类似的作用，我们将新属命名为Azosocius（"氮伙伴"）。我们很幸运，在离不来梅不远的德国海尼希的地下水样本中发现了一个新的 Azosocius 物种。"

现在，科学家们想更深入地研究这些新物种的生活。 德国耶拿弗里德里希-席勒大学的克尔斯滕-库塞尔（Kirsten Küsel）和威尔-奥弗霍尔特（Will Overholt）最初采集了海尼希的样本，通过与他们的合作，科学家们得以进入采样点，研究元转录组数据，即描述样本中基因表达并显示微生物活动的数据。

斯佩思继续说："在这里，我们又得到了一个惊喜--这些呼吸共生体会玩新花样。 与只能进行厌氧呼吸（即反硝化）的原始共生物种不同，所有新的共生物种实际上都编码了一种末端氧化酶，这种酶使它们除了氮之外还能进行氧呼吸。这可以解释为什么我们在完全或部分缺氧的环境中也能发现这些共生体。"

这些结果现在发表在Nature Communications杂志上，回答了科学家们关于共生体生物地理学的未决问题。米卢卡展望道："由于发现了这些新物种，我们现在也可以开始更多地思考它们的进化问题了。"我们希望可以更好地理解这些有益的共生体是如何开始的，又是如何随着时间的推移而进化的。"

此外，这项研究还涉及生态学方面，斯佩思补充说："通过进行反硝化作用，这种共生关系对各自栖息地的氮循环产生了影响，并有可能清除氮氧化物等营养物质，同时产生一氧化二氮等温室气体。"

最后但并非最不重要的一点是对微生物世界的简单欣赏。"这种生物是大自然的奇迹，"米卢卡兴奋地说。"原生生物能够进行如此惊人的新陈代谢创新，往往是因为它们很容易与原核生物发生关系。 对我来说，这真是令人着迷。 在了解真核生物进化的过程中，这些生物是拼图中的重要一环。"

编译自/ScitechDaily