海水中細(xì)菌利用藻類的三元共生關(guān)系

普通愛麗莎細(xì)膩而貪婪，在鮮綠色的海藻叢上啃食奶牛，深深地尋找最佳選擇。

然而，這種一英寸長(zhǎng)的海洋軟體動(dòng)物不僅可以獲得美味的食物——它還可以被藻類的防御性化學(xué)物質(zhì)污染，然后部署自己的捕食者。

在一項(xiàng)新的研究中，普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，這些有毒化學(xué)物質(zhì)來(lái)自新發(fā)現(xiàn)的生活在藻類中的細(xì)菌。研究小組發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌已經(jīng)變得如此依賴它們的藻類家園，以至于它們無(wú)法獨(dú)自生存。反過(guò)來(lái)，細(xì)菌至少將五分之一的代謝努力用于為宿主產(chǎn)生有毒分子。

這三種特征的交織故事——海鷗E. rufescens、苔蘚藻類和新發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌——構(gòu)成了一種三方共生關(guān)系。共生是幾個(gè)有機(jī)體密切互動(dòng)的關(guān)系。在這個(gè)例子中，slu獲得食物和防御化學(xué)物質(zhì)，藻類獲得化學(xué)物質(zhì)，細(xì)菌以藻類宿主營(yíng)養(yǎng)物的形式獲得家庭和生命的免費(fèi)食物。

這項(xiàng)研究的資深作者、普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)助理教授穆罕默德多尼亞(Mohamed Donia)說(shuō)：“這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，這三種生物之間的關(guān)系非常獨(dú)特?！薄斑@極大地影響了我們對(duì)細(xì)菌、植物和動(dòng)物如何形成機(jī)制依賴的理解，在這種機(jī)制依賴中，生物活性分子超越了最初的生產(chǎn)者，最終到達(dá)并受益于互動(dòng)伙伴網(wǎng)絡(luò)?！?

普林斯頓大學(xué)和馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所海洋與環(huán)境技術(shù)研究所的研究人員使用強(qiáng)大的基因組技術(shù)來(lái)解決這個(gè)故事，以破譯誰(shuí)在這種關(guān)系中做了什么。他們對(duì)slu、藻類及其微生物群的集體基因組信息進(jìn)行了測(cè)序，這些微生物群是生活在這些生物體中的細(xì)菌。然后他們使用計(jì)算機(jī)算法來(lái)確定哪些基因?qū)儆谀膫€(gè)生物。通過(guò)這種方式，他們發(fā)現(xiàn)了新的細(xì)菌物種，并將它們與毒素的產(chǎn)生聯(lián)系起來(lái)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，他們命名為念珠菌內(nèi)生菌的細(xì)菌物種產(chǎn)生了大約15種不同的毒素，稱為卡哈拉毒素。眾所周知，這些化學(xué)物質(zhì)可以阻止周圍的魚類和其他海洋動(dòng)物。由于其強(qiáng)大的毒性，至少有一種kahalalides被評(píng)估為潛在的抗癌藥物。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌在安全的生活中永久犧牲了它們的獨(dú)立性，因?yàn)樗鼈儾辉贀碛性谠孱愔馍嫠璧幕?。相反，大約五分之一的細(xì)菌基因組被用來(lái)提取有毒分子，防止捕食者吃掉細(xì)菌的家園。

一種能吃毒素的捕食者是赤眼蜂。Slu將它們儲(chǔ)存起來(lái)，并建造了一個(gè)比藻類中毒素濃度高十倍的化學(xué)武器庫(kù)。

該團(tuán)隊(duì)提出的一個(gè)問(wèn)題是，slu不僅得到了化學(xué)物質(zhì)，還得到了工廠——細(xì)菌本身。然而，他們發(fā)現(xiàn)slu不能保留攝入的細(xì)菌，而是作為食物消化它們，只留下化學(xué)物質(zhì)。

紅葉愛麗西亞，因其紅色而得名，生活在溫暖的淺水區(qū)，包括夏威夷。研究人員已經(jīng)收集了這些slu.愛麗西亞屬于一系列“太陽(yáng)能插頭”，因?yàn)樗鼈儗⒃孱惖哪芰颗c防御性化學(xué)物質(zhì)隔離在一起，制造光合機(jī)械，使它們成為世界上為數(shù)不多的從陽(yáng)光中創(chuàng)造自身營(yíng)養(yǎng)的動(dòng)物之一。

多尼亞開始對(duì)藻類如何進(jìn)行化學(xué)防御感興趣，因?yàn)槠渌Ｑ笊铩绾＞d和被囊動(dòng)物——利用細(xì)菌共生體制造毒素。他決定研究毒素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)表明它們是由細(xì)菌或真菌組成的。

為了得到幫助，他求助于包括這個(gè)系統(tǒng)在內(nèi)的馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心教授、世界海洋生態(tài)學(xué)專家拉塞爾希爾。希爾和他當(dāng)時(shí)的研究生珍妮特戴維斯幫助多尼亞和普林斯頓的博士后研究員金東贊、李志遠(yuǎn)和瑪麗亞迪亞里蒂亞尼羅收集夏威夷藻類和slu.贊和李是這項(xiàng)研究的共同第一作者。

希爾說(shuō)：“我們的合作是基于同事們的工作，在穆罕默德的領(lǐng)導(dǎo)下，我們終于解開了真正的卡哈拉立德化合物制造商的長(zhǎng)期謎團(tuán)。“現(xiàn)在了解到優(yōu)秀的細(xì)菌以及它們合成這些復(fù)雜化合物的方法，非常令人滿意。”

該團(tuán)隊(duì)將細(xì)菌與工廠進(jìn)行了比較，因?yàn)檫@種生物以藻類提供的氨基酸形式消耗原材料，并以有毒化學(xué)物質(zhì)的形式釋放成品。

多尼亞說(shuō)，這種特殊的細(xì)菌共生現(xiàn)象的主題已經(jīng)發(fā)展成為一種功能——為宿主制造防御分子，以換取受保護(hù)的生存空間——在海洋環(huán)境中出現(xiàn)了令人驚訝的普遍現(xiàn)象，從藻類到被子到海綿。

這是該團(tuán)隊(duì)確定的第二種此類關(guān)系。他們?cè)?月1日的《自然微生物學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一種細(xì)菌與海綿共生，可以產(chǎn)生毒素來(lái)保護(hù)海綿免受捕食。

多尼亞說(shuō)：“最奇怪的是，海綿實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)化出了一種特殊類型的細(xì)胞，我們稱之為‘細(xì)菌屬細(xì)菌’，并完全致力于培養(yǎng)和維持這種細(xì)菌的培養(yǎng)。“這很奇怪，因?yàn)橐话阒挥猩贁?shù)特化的海綿細(xì)胞。同樣，這種細(xì)菌不能產(chǎn)生基質(zhì)，也不能獨(dú)立生存。”

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