科学家揭秘水下生物的共生关系:借我一个肩膀,还你整片天空

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科学家揭秘水下生物的共生关系:借我一个肩膀,还你整片天空
麻省理工科技评论 2019-03-10

2019-03-10

科学家揭秘水下生物的共生关系
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科学家揭秘水下生物的共生关系

每天晚上,夜行的夏威夷短尾乌贼(Euprymna scolopes)都会从它们在太平洋浅水区的洞穴里出来捕虾。这种高尔夫球大小的软体头足纲动物在其捕食者(如海豹、鳗鱼和鱼)面前没有太多保护措施,所以它们需要依靠另一种生物——费氏弧菌(Vibrio fischeri)。

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图丨夏威夷短尾乌贼

“它基本就像是短尾乌贼的小隐形衣,”佛罗里达大学空间生命科学实验室的微生物学家 Jamie Foster 说。费氏弧菌生活在乌贼墨囊内的一个器官中,能够配合月光的亮度,在夜间发出光芒。作为保护自己不被捕食者发现的回报,短尾乌贼为细菌提供糖分,同时利用糖将它们引诱到特定器官。

这一互惠关系已经进化了数百万年,只是多细胞动物和微生物共同工作以增加生存几率的众多例子之一。不过,科学家们对这种关系如何进化、是什么使动物进化出专门引诱共生生物的器官等问题仍所知甚少。

如今,Foster 和一支国际研究者团队绘制了夏威夷短尾乌贼的基因组图谱,为探索这一系列问题提供了新工具。通过剖析短尾乌贼的基因组,研究团队发现了它们的发光器官与另一个支持繁殖的共生器官完全不同的进化路径。这篇发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的文章为包括人类在内的动物-微生物相互作用领域奠定基础。

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图丨佛罗里达大学的微生物学家 Jamie Foster 研究短尾乌贼的免疫反应以深入了解人类的免疫系

这项工作同时标志着首个乌贼目动物基因组的完成——同时在 2015 年章鱼基因组图谱发表后第二个完成的头足纲动物。“拥有其基因组将是研究共生关系的巨大资源,”来自芝加哥大学、参与过章鱼基因图谱绘制的学者 Cliff Ragsdale 说。

鉴于短尾乌贼的触须、变色的皮肤和其他新奇的生物特性,它们似乎不是帮助研究人类或其他动物共生关系的显而易见的候选者。但是科学家们已经把这个物种作为一种共生模式生物研究了 30 多年。“我们有着许多相同的基因和基因通路,所以我们能够通过这些共生模式系统发现到许多可能与我们健康相关的信息,”Foster 说。例如,人类和乌贼有着同样的免疫系统组成。实际上,因为我们的免疫系统之间的相似性,Foster 将乌贼送上太空,用来研究人类在宇宙飞行产生的免疫应答。

除此之外,短尾乌贼还有着对共生研究来说得天独厚的特性。短尾乌贼的发光器官并不像人类肠道和自然界中大多数其他共生器官那样,与一群细菌结成伙伴关系,而是与费氏弧菌形成严格的“一夫一妻制”关系。短尾乌贼的免疫系统只识别并在发光器官内培育这一种细菌,避开所有其他追求者。“因为我们的研究中只有一个宿主和一个共生体,所以我们更容易梳理状况。”康狄涅格大学的共生关系学专家 Spencer Nyholm 说。

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图丨夏威夷短尾乌贼(Euprymna scolopes)有着美丽的透明身体,并且发光器官内只有一种共生细菌,使它成为共生研究的理想生物。乌贼外套膜中的暗处即为其墨囊与发光器官的位置标记(来源:quantamagazine)

利用目前绘制出的基因组图谱,研究人员可以进一步探索共生关系位置的解剖学起源。在发光器官的例子中,乌贼必须能够监控和调节它发出的光以匹配天空中的月光的亮度。“他们需要一种与眼睛基本类似的机制,”Nyholm 说。研究团队的确在发光器官中发现了一些在乌贼眼睛中广泛存在的活性基因,其中包括一类能够表达高浓度、名为“反光素”(reflectins)的可反光蛋白。短尾乌贼似乎复制和修改了它已有的基因,从而创造出这种新器官——其中甚至包括了一个像眼睛晶状体一样的结构。

该团队研究的第二个共生器官,副缠卵线(accessory nidamental gland, ANG),由完全不同的路径进化而来。ANG 仅存在于雌性乌贼体内,它产生一种凝胶状的、充满细菌的包膜,保护乌贼的卵不受其他定植微生物的污染。这个器官内生活着许多种类的细菌,并活跃表达着在短尾乌贼体内其他地方及其他乌贼体内都不活跃的新基因。“为了进化这个器官,它必须自己合成这个基因,”Nyholm 说。

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图丨两个短尾乌贼的发光器官嵌在墨囊内,位于墨囊两侧叶。费氏弧菌独占这些器官,产生绿色荧光蛋白,透过乌贼透明的身体发出荧光(来源:quantamagazine)

尽管这两个器官独自分开进化,但它们都是相对乌贼进化史较为近期才出现——发光器官大约 3000 万年前出现,约在章鱼与乌贼发生进化歧异 2 亿 4 千万年后。

“我认为这是个巨大的贡献,”来自康奈尔大学的昆虫学家暨共生学专家、The Symbiotic Habit 一书作者 Angela Douglas 说道。她指出,研究人员们能够利用基因组排除一些有关器官形成的假设,并深入挖掘动物与微生物形成良好关系的机制。

“我们总有这样一种观念:‘微生物是有害的’、‘清洁接近圣洁’、动物非常善于发现微生物并杀死它们,”Douglas 说。但其实许多生物为微生物提供了栖息之处。“我们不是在忍受它们,”她补充道,“而是我们的确需要它们。”

澳大利亚詹姆斯库克大学的海洋生物学家 David Bourne 说,新的基因组还将帮助研究人员研究微生物如何影响宿主的进化,反之亦然。他于近期在 mBio 杂志发表了一篇整理多种海洋物种与其共生生物共同进化的综述。“微生物的多样性和丰富性让我们研究共同进化的概念变得有些困难,”他说。但是短尾乌贼模型的简单性和如今获得的基因组,将帮助解决这种复杂问题。

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图丨短尾乌贼的解剖图展示了它的两个共生器官:组成副缠卵腺 (ANG) 的大量导管和发光器官。发光器官发光是因为它能够高度反光的组织,这些组织通常从细菌那里收集光线,并通过一个透镜引导它们。产生这种蛋白质的基因似乎是从乌贼的眼睛里借来的(来源:quantamagazine)

生物体对微生物的依赖方式,远远超出了伪装和保护卵子的范围。德克萨斯大学奥斯汀分校的进化生物学家 Nancy Moran 说,例如,蜜蜂依赖 8 种不同的肠道细菌来维持健康;蚜虫依赖细菌产生从食物中无法获取的氨基酸。在 Moran 关于蚜虫基因组的研究中,她发现这种昆虫利用回收的基因和新的基因组合来构建它们产生氨基酸的器官——“或者说至少那些新基因已经进化到无法看出与之前的有任何联系的程度,”她说。

除了为微生物提供营养和居所外,动物宿主已经进化出能够支持微生物发挥有益作用的功能。研究者们认为,短尾乌贼将它们的墨囊作为照相机快门一样来调节发出光线的亮度,Nyholm 说。并且,一些乌贼的血细胞似乎能够进入发光器官,以牺牲自己的方式释放糖颗粒。随后细菌利用糖分发酵,产生酸性环境,有助于荧光素酶发光。

人类也进化出了支持微生物活动的特定微环境,Nyholm 指出。胃内酸性很强,而结肠内则偏碱性——在这些不同条件下,每个器官中不同的微生物群落繁荣发展。就像乌贼一样,人类的免疫系统已经进化到能够识别并迎接这些属于不同位置的共生体。

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(来源:quantamagazine) 

但是当信号出错,我们的免疫系统不能识别这些有益的细菌时,炎症性肠病和其他免疫疾病就会出现,Nyholm 指出。因此,通过了解乌贼如何在不同的环境中与细菌进行交流,研究人员最终可能会了解这些免疫疾病的基础,他说。

研究短尾乌贼这种共生关系的优势在于其天然的简单性:人类肠道中微生物种类繁多,难以观察,但乌贼的发光器官与费氏弧菌有一对一的关系。并且周围只有透明皮肤。“短尾乌贼作为研究对象的妙处在于能够真实看到细菌进入宿主的过程,”威斯康星大学麦迪逊分校微生物学家 Mark Mandel 说。他应用短尾乌贼的微生物共生关系作为类比研究其他系统,未参与此研究。

为了进一步了解动物如何与微生物交流,研究人员现在正致力于开发一种用来操控和敲除乌贼基因的方法,从而探索哪些基因对哪些功能至关重要。“现在我们终于可以提出更大的问题了,”Foster 说。

同时,随着其他几种头足类动物基因组绘制即将完成——包括一些属于巨乌贼、蓝圈章鱼和其他属的动物——以及越来越先进的技术,研究者们将很快研究出短尾章鱼的特别之处,及头足类动物之间和与其他动物之间的共性,Ragsdale 说。

“一旦获得这些基因组,人类几年之内将开创新的领域。”他说。


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