《Science》科学家首次发现能够固定氮的藻类

在藻类中发现的这种被称为硝化质体的结构，可能会促进对植物进行基因工程改造，使其转化或“固定”自身的氮，从而提高作物产量，减少对肥料的需求。这项研究发表在2024年4月11日的《Science》杂志上。

“教科书上说固氮只发生在细菌和古细菌中，”加州大学圣克鲁兹分校的海洋生态学家Jonathan Zehr说，他是这项研究的合著者。他补充说，这种藻类是“第一个固氮真核生物”，指的是包括植物和动物在内的一组生物。

2012年，Zehr和他的同事们报告说，海藻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藻类细胞内或表面。研究人员假设UCYN-A将氮气转化为藻类生长所需的化合物，比如氨。作为回报，细菌被认为从藻类中获得了碳基能源。

但在最新的研究中，Zehr和他的同事们得出结论，UCYN-A应该被归类为藻类内部的细胞器，而不是一个独立的有机体。根据之前一项研究的基因分析，藻类和细菌的祖先在大约1亿年前就开始了共生关系。最终，这产生了硝化质体细胞器，现在在B. bigelowii中看到。

定义细胞器

研究人员使用两个关键标准来确定细菌细胞是否已经成为宿主细胞中的细胞器。首先，有问题的细胞结构必须通过宿主细胞的几代传递下去。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藻类细胞进行成像，研究小组发现，在整个藻类细胞分裂之前，硝化质体分裂成两半。通过这种方式，一个硝化质体从亲本细胞传递给它的后代，就像其他细胞结构一样。

接下来，研究人员发现硝化质体从更宽的藻类细胞中获得生长所需的蛋白质。Zehr说，硝化质体本身——占每个宿主细胞体积的8%以上——缺乏光合作用和制造遗传物质所需的关键蛋白质。他说:“(来自藻类的)许多蛋白质只是填补了新陈代谢的空白。”

Zehr说，这项研究的作者、日本高知大学的Kyoko Hagino花了大约十年的时间在实验室里微调了一种生长藻类的方法，这使得人们可以更详细地研究这种藻类。

“这很了不起，”瑞典乌普萨拉大学研究细胞器进化的Siv Andersson说。“他们真的看到了我们认为是细胞器特征的所有这些特征。”

升级后的植物

了解硝化质体是如何与其宿主细胞相互作用的，可以帮助设计出能够固定自身氮的作物。这将减少对氮基肥料的需求，并避免它们造成的一些环境破坏。他说:“使这个系统工作的技巧可以用于工程陆地植物。”

研究共生细菌的 Eva Nowack说:“农作物产量主要受氮供应的限制。当然，在农作物中拥有固氮细胞器将是非常棒的。”但将这种能力引入植物并非易事。例如，含有硝化质体遗传密码的植物细胞需要被改造成这样一种方式，即基因能够稳定地代代相传。“这将是最难做到的事情，”她说。

弗吉尼亚州里士满市弗吉尼亚联邦大学的细胞生物学家Jeffrey Elhai说:“看到这项工作成为理解的重要基石，这既令人高兴，也令人印象深刻。”