马克斯·普朗克学会 该图是扫描电子显微镜图像(扫描电镜，灰色)和荧光图像的合成图
可见的是“假丝酵母纤毛虫”内共生菌(用鱼可见，黄色)和食物液泡中的细菌猎物以及大细胞核(用DAPI染色，蓝色)
弱荧光纤毛的外部结构以及纤毛也是可见的
学分:马普海洋微生物研究所
Ahmerkamp 来自不来梅的研究人员与来自科隆马克斯·普朗克基因组中心和瑞士水生研究所的同事一起，发现了一种独特的细菌，它生活在单细胞真核生物体内，并为其提供能量
与线粒体不同，这种所谓的内共生生物从硝酸盐的呼吸中获得能量，而不是氧气
《自然》的资深作者贾娜·米卢卡说:“这种合作是全新的。”
“以呼吸和能量转移为基础的共生现象是迄今为止前所未有的
" 总的来说，在真核生物中，共生体相当普遍
真核宿主通常与其他生物共存，如细菌
一些细菌生活在宿主细胞或组织内，并提供某些服务，如防御或营养
作为回报，宿主为共生体提供庇护和合适的生活条件
内共生细菌甚至可以发展到这样的程度，以至于细菌失去了在宿主之外独立生存的能力
瑞士祖格湖的不来梅科学家发现的共生现象也是如此
该研究的第一作者乔恩·格拉夫说:“我们的发现开启了一种可能性，即简单的单细胞真核生物，如原生生物，可以容纳提供能量的内共生生物，以补充甚至取代其线粒体的功能。”
“这个原生生物通过与能够进行硝酸盐呼吸的内共生生物合作，在没有氧气的情况下存活了下来
“内共生生物的名字，假丝酵母纤毛菌，反映了这一点；一种生活在纤毛虫体内的“氮朋友”
亲密的伙伴关系变得越来越密切 到目前为止，一直认为无氧环境中的真核生物通过发酵生存，因为线粒体需要氧气来产生能量
发酵过程是有据可查的，并且已经在许多厌氧纤毛虫中观察到
然而，微生物不能从发酵中吸收那么多能量，而且它们的生长和分裂速度通常不如好氧微生物快
“我们的纤毛虫已经找到了解决办法，”格拉夫说
“它吞噬了一种能够呼吸硝酸盐的细菌，并将其整合到细胞中
我们估计同化至少发生在2亿到3亿年前
“从那时起，进化进一步加深了这种亲密的伙伴关系
时移进化 线粒体的进化也以类似的方式进行
“所有的线粒体都有一个共同的起源，”贾娜·米卢卡解释说
据信，10多亿年前，当一个祖先的古细菌吞噬了一种细菌时，两者开始了一种重要的共生关系:这一事件标志着真核细胞的起源
随着时间的推移，这种细菌越来越融入细胞，其基因组逐渐减少
不再需要的属性会丢失，只有对主机有益的属性会保留
最终，线粒体进化成了今天已知的形式
它们有自己的微小基因组和细胞膜，在真核生物中作为所谓的细胞器存在
例如，在人体内，它们几乎存在于每个细胞中，为它们——也就是我们——提供能量
“我们的内共生体能够执行许多线粒体功能，尽管它与线粒体没有共同的进化起源，”米卢卡说
“人们很容易推测共生体可能遵循与线粒体相同的路径，并最终成为细胞器
" 偶遇 令人惊讶的是，这种共生现象如此之久还不为人所知
线粒体在氧气中工作得很好——为什么硝酸盐就没有对等物呢？一个可能的答案是，没有人意识到这种可能性，所以没有人在寻找它
研究内共生生物具有挑战性，因为大多数共生微生物不能在实验室中生长
然而，宏基因组分析的最新进展让我们对宿主和共生体之间复杂的相互作用有了更深入的了解
当分析宏基因组时，科学家会观察样本中的所有基因
这种方法通常用于环境样品，因为样品中的基因不能自动分配给存在的生物体
这意味着科学家通常寻找与其研究问题相关的特定基因序列
宏基因组通常包含数百万个不同的基因序列，只有一小部分被详细分析是很正常的
最初，不来梅科学家也在寻找别的东西
马克斯·普朗克海洋微生物研究所的温室气体研究小组调查了参与甲烷代谢的微生物
为此，他们一直在研究祖格湖的深水层
这个湖是高度分层的，这意味着没有垂直的水交换
因此，祖格湖的深水层与地表水没有接触，并且大部分是孤立的
这就是为什么它们不含氧气，但富含甲烷和氮化合物，如硝酸盐
在寻找具有氮转化基因的甲烷吞噬细菌时，格拉夫发现了一个惊人的小基因序列，它编码了硝酸盐呼吸的完整代谢途径
格拉夫说:“我们都被这个发现惊呆了，我开始在数据库中比较基因和相似的基因序列。”
但是唯一相似的基因属于生活在蚜虫和其他昆虫体内的共生体
“这没道理
昆虫如何进入这些深水？为什么呢？”格拉夫说
研究小组的科学家开始猜谜游戏和赌博
不是一个人在黑暗的湖里 最后，一个想法占了上风:基因组必须属于一个未知的内共生生物
为了验证这一理论，研究小组的成员对瑞士的楚格湖进行了几次考察
在当地合作伙伴Eawag的帮助下，他们收集了样本，专门寻找含有这种独特内共生菌的生物体
在实验室里，科学家用移液管从水样中捞出各种真核生物
最后，使用一个基因标记，有可能使内共生生物可视化并识别其原生宿主
一年前的最后一次旅行应该会带来最终的确定性
在隆冬时节，这是一项艰巨的任务
暴风雨天气、浓雾和冠状病毒的第一个消息带来的时间压力以及可能的封锁使得在大湖中的搜索更加困难
尽管如此，科学家们还是成功地从深水中提取了几个样本，并把它们带到了不来梅
这些样本最终证实了他们的理论
“很高兴知道他们在一起，”贾娜·米卢卡说
“通常，这些纤毛虫吃细菌
但这只让一只活了下来，并与它合作
" 许多新问题 这一发现引发了许多令人兴奋的新问题
是否有相似的共生体存在更长时间，并且内共生体已经越过了细胞器的边界？如果硝酸盐呼吸存在这种共生现象，那么其他化合物也存在吗？这种存在了两亿到三亿年的共生现象，是如何在一万年前才形成的阿尔卑斯山后冰川湖中终结的？此外:“现在我们知道我们在寻找什么，我们在世界各地都发现了内共生菌的基因序列，”米卢卡说
在法国，在台湾，或者在东非的湖中，这些湖在某种程度上比祖格湖更古老
这种共生的起源是否在于其中一个？还是从海洋开始的？这些是研究小组下一步要研究的问题
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