第一种已知的硝化质体

成像和蛋白质组分析揭示了在海洋藻类中发现的第一个固氮细胞器

含有多个球体的绿藻细胞。

图片来源:Tyler colale /UCSC

B. bigelowii的光学显微照片。箭头指向硝基质体。

当泰勒·科尔(Tyler Coale)分析完大叶藻(Braarudosphaera bigelowii)的蛋白质组和位于藻类细胞质内的球形体时，他意识到自己可能解开了他的导师几十年前发现的一个谜。从核DNA中翻译出来的蛋白质被运送到球体中;对于宿主细胞来说，这种结构显然不仅仅是一种固氮共生体。“它的行为就像一个细胞器，”科尔说。这使得它成为迄今为止发现的第一个固氮细胞器或硝化质体(Science 2024, DOI: 10.1126/ Science .adk1075)。

“他拿回了数据，他展示了数据，这真是太棒了，”乔纳森·泽尔(Jonathan Zehr)说，他是科尔在加州大学圣克鲁兹分校的博士后导师，他对固氮生物的研究持续了几十年。

1998年，当泽尔在海水中寻找固氮酶编码基因时，他发现单细胞蓝藻A群(UCYN-A)中的生物具有固氮能力。10年后，他震惊地发现，一个物种的全基因组序列显示，该物种的基因组非常稀疏，以至于无法翻译独立生存所必需的蛋白质。经过4年多的研究，泽尔发现这种UCYN-A与藻类存在共生关系，但它们共生的性质仍然是一个谜，无法从野生样本中辨别出来。泽尔的团队需要一种文化。

不幸的是，海洋细胞系对在实验室中生长非常挑剔。高知大学(Kochi University)的合作者萩野恭子(Kyoko Hagino)花了10多年的时间才破解了在实验室中培育大叶芽胞杆菌的密码。“这种文化是这项研究的基础，”科尔说。科尔说，一旦团队能够产生生物质，他们就开始使用“许多生物学家认为理所当然的现代生物学工具”。

当研究小组用光学显微镜拍摄培养的b.b bigelowii的图像时，他们看到UCYN-A生活在它的藻类宿主体内。共生体可能是通过初级内共生到达那里的——原核生物的前身被一个古老的b.b bigelowii祖先吞没了。

然后，研究小组使用软x射线断层扫描(一种先进的成像技术，可以捕获整个细胞的类似ct扫描的3D图像)来观察b.b bigelowii细胞分裂。令人惊讶的是，UCYN-A以与宿主细胞同步的顺序分裂，就像线粒体或叶绿体一样，其他细胞器是通过初级内共生产生的。Zehr说，这种同步并不是随机的，它表明细胞通过直接影响行为来对待UCYN-A，就像对待其他细胞器一样。

科尔的蛋白质组学分析是解开这个谜题的最后一块:UCYN-A由于基因组减少而缺失了重要的蛋白质，取而代之的是由藻类核DNA翻译而来的蛋白质。藻类甚至进化出了一种方法，用长尾肽标记某些蛋白质，以指示哪些蛋白质需要运输到UCYN-A。

西班牙国家研究委员会海洋科学研究所的海洋微生物生态学家Ramon Massana认为，这些数据令人信服地证明UCYN-A已经从共生体进化为细胞器。他说:“我发现这些科学家能够说存在另一种细胞成分是非常令人兴奋的，”即使它并不适用于所有真核生物。