Cell：在固氮共生中，代谢的权衡限制了细胞大小的比例

由罗德岛大学和巴塞罗那城市研究所的研究人员领导的一项新研究发现，UCYN-A，一种固氮蓝藻，可能正在进化出类似细胞器的特征。这项研究最近发表在《细胞》杂志上。

　　

氮是地球上所有生命必需的营养物质。虽然氮气(N2)很丰富，但如果没有一个被称为固氮的过程，大多数生物基本上无法获得氮气，这个过程就是将二氮转化为铵——一种主要的无机氮源。

虽然有些细菌能够将二氮还原为铵，但罗德岛大学、加州大学圣克鲁斯分校和麻省理工学院的研究人员发现，固氮共生生物表现出与细胞器相似的行为。事实上，研究人员认为这些共生生物——UCYN-A（一种蓝藻）可能正在进化出类似细胞器的特征。

他们的研究最近发表在《细胞》杂志上。

UCYN-A与一种密切相关的海藻(B. bigelowii)保持着共生关系，生活在通常营养物质含量低的开阔海域。当有固定的氮源可用时，大多数固氮细菌都有调节二氮使用的机制，从而减轻了这一过程的高能量成本。然而，UCYN-A已经失去了允许这种情况的基因，即使在营养丰富的环境中也能够将氮气固定为铵。而寄主则通过叶绿体的光合作用为其提供固定的碳。

该研究详细说明了研究人员如何发现UCYN-A与其共生伙伴细胞之间的大小关系，这与其他细胞器与其宿主之间的大小关系一致。当细胞器变大时，它们的宿主细胞也变大——最终分裂和复制。数学模型揭示了通过营养获取和交换调节相对细胞大小的代谢权衡。

“它需要大量的能量和电子来固定氮气，使其成为有用的东西，如果UCYN-A沿着进化的道路发展成固氮细胞器，我们发现除了B. bigelowii之外的细胞也有这样的细胞器，或者正在类似地进化，它可能会改变游戏规则。”URI海洋研究生院海洋学助理教授，该研究的主要作者之一Keisuke Inomura说。

虽然线粒体和叶绿体等细胞器在进化光谱上走得更远，但研究人员认为，他们所看到的可能是细菌来源的固氮细胞器进化过程的一个缩影。

“我们的研究集中在大约1亿年前出现的一种更近的共生关系上，这使我们能够探索早期阶段细胞器形成的进化，”文章一作之一Francisco Cornejo说。

然而，研究人员指出，需要更多的研究来证明这是否是事实。

“UCYN-A与其主机之间惊人的紧密规模关系可以用合作伙伴的资源经济来解释。这表明UCYN-A可能正在成为一个细胞器的道路上：至于它是否已经成为细胞器，则是正在进行的研究课题。”