原生生物Fisculla terrestris饥饿诱导细胞融合过程中减数分裂相关基因的表达模式解析

为解决原生生物有性生殖机制不明的科学难题，研究人员通过转录组分析揭示了Rhizaria类群Fisculla terrestris在饥饿诱导细胞融合过程中减数分裂相关基因（如DMC1、SPO11等）的差异表达模式，证实其可能具备减数分裂能力。该研究为真核生物性起源演化提供了新证据，论文发表于《BMC Biology》。

　　

长期以来，单细胞真核生物（原生生物）被认为主要进行无性繁殖。然而近年研究发现，减数分裂（meiosis）及潜在的有性生殖可能广泛存在于几乎所有真核谱系中。这一现象挑战了传统认知，但直接证据仍十分有限，尤其在Rhizaria等远缘真核类群中。Fisculla terrestris作为土壤栖息的壳质变形虫（Thecofilosea纲），其饥饿条件下可触发细胞融合与核配（karyogamy），这一过程与"周期性无性生殖"现象相似，但分子机制尚未阐明。

为探究其潜在的有性生殖特征，德国研究团队通过比较转录组分析，系统研究了F. terrestris在营养充足与饥饿状态下的基因表达差异。研究聚焦减数分裂工具包（meiosis toolkit）基因的表达动态，发现41个保守减数分裂相关基因中28个呈现差异表达，包括交叉调控关键基因DMC1、MER3的上调，以及双链断裂形成酶SPO11的下调。这些发现暗示该生物可能具备减数分裂能力，但其是否与有性生殖直接关联仍需验证。

关键技术方法包括：建立F. terrestris实验室培养体系，通过饥饿处理诱导细胞融合；使用Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序；基于Trinity软件组装参考转录组；采用DESeq2鉴定差异表达基因（DEGs）；通过KOBAS和eggNOG-mapper进行功能注释；重点分析51个保守减数分裂相关基因的表达模式。

主要研究结果

1. 实验设计与转录组特征
   非饥饿状态下细胞表现为典型有丝分裂特征，而饥饿组5%个体形成多核融合体。主成分分析（PCA）显示处理间转录组差异显著，共鉴定16,473个DEGs。

2. 功能通路富集
   饥饿组上调基因涉及细胞粘附（cell adhesion）和巨胞饮（macropinocytosis），与应激响应一致；下调基因富集于有丝分裂和代谢通路。值得注意的是"半胱氨酸代谢"和"谷胱甘肽代谢"通路下调，暗示氧化应激调控可能与融合触发相关。

3. 减数分裂基因表达模式
   关键发现包括：

• 交叉形成相关基因（DMC1、MND1、MER3）显著上调
• 双链断裂修复基因（RAD51、EXO1等）多数下调
• 同源重组核心酶SPO11表达降低，提示可能存在"返回生长"（RTG）现象
• 未检测到MSH4、ZIP1等synaptonemal complex（联会复合体）相关基因

结论与意义
该研究首次在Rhizaria类群中发现减数分裂相关基因的协同表达模式，特别是DMC1-HOP2-MND1复合体的激活暗示同源重组可能发生。但部分关键基因缺失（如MSH4）及SPO11的下调提示其减数分裂途径可能不同于典型模型生物。研究创新性地将细胞行为观察与分子证据结合，为理解真核生物性起源演化提供了重要案例。

讨论部分特别指出：原生生物中减数分裂基因可能具有多效性（pleiotropy），不能简单等同于有性生殖的证据。未来需通过细胞学观察（如染色体行为分析）或群体遗传学研究进一步验证。F. terrestris因其易培养、透明细胞特性，成为研究早期真核生物生殖策略的理想模型。该发现拓展了对SAR超类群（Stramenopiles-Alveolata-Rhizaria）生殖方式多样性的认知，为生命树深层分支的性演化研究开辟了新方向。