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真核藻类中固氮细胞器硝基体的发现   

生物合成 蛋白质 核酸 要求 然而,大气中的氮气无法用于 真核生物 用于有机合成。只有少数原核生物(如 蓝藻, 梭菌, 等)具有固定分子氮的能力 气氛。有一定的固氮作用 作为内共生体以共生关系生活在真核细胞内。例如,蓝细菌 候选无端蓝藻海藻 (UCYN-A) 是单细胞微藻的内共生体 毕格罗氏球菌 在海洋系统中。这种自然现象被认为在真核生物的进化中发挥了至关重要的作用 细胞 通过内共生细菌整合到真核细胞中,形成细胞器线粒体和叶绿体。在最近发表的一项研究中,研究人员发现蓝藻“UCYN-A”与真核微藻紧密结合 毕格罗氏球菌 并从内共生体进化为固氮真核细胞器,称为硝基体。这使得微藻 毕格罗氏球菌 第一个已知的固氮真核生物。这一发现将大气中氮的固定功能从原核生物扩展到了真核生物。  

共生,即不同物种的生物共享栖息地并共同生活,是一种常见的自然现象。共生关系中的伙伴可能会从彼此中受益(互利共生),或者一个受益而另一个不受影响(共生),或者一个受益而另一个受到伤害(寄生)。当一种生物体生活在另一种生物体内部时,例如原核细胞生活在真核细胞内部,这种共生关系称为内共生。在这种情况下,原核细胞被称为内共生体。  

内共生(即祖先真核细胞对原核生物的内化)在线粒体和叶绿体的进化中发挥着至关重要的作用,线粒体和叶绿体是更复杂的真核细胞的细胞器特征,有助于真核生命形式的增殖。人们认为,当环境变得越来越富氧时,需氧变形菌已进入祖先真核细胞,成为内共生体。内共生变形菌利用氧气产生能量的能力使宿主真核生物能够在新环境中繁衍生息,而其他真核生物则由于新的富氧环境施加的负选择压力而灭绝。最终,变形菌与宿主系统整合成为线粒体。同样,一些进行光合作用的蓝细菌进入了祖先真核生物,成为内共生体。在适当的时候,它们与真核宿主系统同化,成为叶绿体。具有叶绿体的真核生物获得了固定大气碳的能力并成为自养生物。从祖先真核生物进化出固碳真核生物是地球生命史上的一个转折点。 

蛋白质和核酸的有机合成需要氮,但是固定大气氮的能力仅限于少数原核生物(例如一些蓝细菌、梭菌、古细菌等)。没有已知的真核生物可以独立固定大气中的氮。在自然界中可以看到固氮原核生物和需要氮生长的固碳真核生物之间的互利内共生关系。其中一个例子是海洋系统中蓝藻 Candidatus Atelocyanobacter thalassa (UCYN-A) 和单细胞微藻 Braarudosphaera bigelowii 之间的伙伴关系。  

在最近的一项研究中,利用软 X 射线断层扫描研究了蓝藻 Candidatus Atelocyanobacter thalassa (UCYN-A) 和单细胞微藻 Braarudosphaera bigelowii 之间的内共生关系。细胞形态和藻类分裂的可视化揭示了协调的细胞周期,其中内共生蓝细菌均匀分裂,就像真核生物在细胞分裂过程中叶绿体和线粒体的分裂一样。对参与细胞活动的蛋白质的研究表明,其中很大一部分是由藻类基因组编码的。这包括生物合成、细胞生长和分裂所必需的蛋白质。这些发现表明,内共生蓝细菌与宿主细胞系统紧密结合,并从内共生生物转变为宿主细胞的成熟细胞器。因此,宿主藻细胞获得了固定大气氮以合成生长所需的蛋白质和核酸的能力。新的细胞器被命名为 硝基塑料 由于其固氮能力。  

这使得单细胞微藻 毕格罗氏球菌 第一个固氮真核生物。这一发展可能对 农业 长远来看,化肥行业。

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参考文献:  

  1. 科尔,TH et al. 2024.海藻中的固氮细胞器。科学。 11 年 2024 月 384 日。第 6692 卷,第 217 期,第 222-XNUMX 页。数字编号: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 
  1. Massana R.,2024。硝基塑料:一种固氮细胞器。科学。 11 年 2024 月 384 日。第 6692 卷,第 160 期。第 161-XNUMX 页。数字编号: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

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乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
科学记者| 《科学欧洲》杂志创始人编辑

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