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Microbiome | 中國(guó)科學(xué)院趙方慶/苗苗：全面解析單細(xì)胞纖毛蟲(chóng)及其共生菌
真核生物-細(xì)菌共生系統(tǒng)在多種生理、發(fā)育和進(jìn)化過(guò)程中起著重要作用。然而，目前的理解主要局限于多細(xì)胞真核生物，而對(duì)包括纖毛蟲(chóng)在內(nèi)的多樣單細(xì)胞原生生物的研究不足。
2024年5月24日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所趙方慶和苗苗共同通訊在Microbiome上在線發(fā)表題為“Exploring the landscape of symbiotic diversity and distribution in unicellular ciliated protists”的研究論文，該研究收集了覆蓋整個(gè)纖毛蟲(chóng)門(mén)的246個(gè)纖毛蟲(chóng)樣本，并進(jìn)行了基于單細(xì)胞的宏基因組測(cè)序。這項(xiàng)工作迄今為止提供了最廣泛的與單細(xì)胞原生生物相關(guān)的細(xì)菌收集數(shù)據(jù)。從該數(shù)據(jù)集中，作者識(shí)別出883種能夠與纖毛蟲(chóng)共生的細(xì)菌，揭示了116種新的細(xì)菌共生體基因組以及7種新的古細(xì)菌共生體。
研究強(qiáng)調(diào)了纖毛蟲(chóng)與其共生體之間的密切關(guān)系，發(fā)現(xiàn)超過(guò)90%的纖毛蟲(chóng)與細(xì)菌共存，且單個(gè)宿主同時(shí)培育多種細(xì)菌的共生關(guān)系，觀察到七種不同的細(xì)菌共生模式。通過(guò)探索共生機(jī)制，作者揭示了宿主消化對(duì)共生體細(xì)胞內(nèi)多樣性的影響。此外，作者還發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌中存在真核樣蛋白，這可能是它們抵抗宿主消化的潛在因素，從而擴(kuò)大了它們的潛在宿主范圍。
細(xì)菌與真核生物之間的共生關(guān)系被認(rèn)為在進(jìn)化和物種分化中起著重要作用。在進(jìn)化上古的內(nèi)共生體被認(rèn)為是線粒體和葉綠體等真核細(xì)胞器的起源，而持續(xù)存在的共生體據(jù)報(bào)道為宿主提供了包括新陳代謝、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充、防御和移動(dòng)性在內(nèi)的一系列益處。甚至節(jié)肢動(dòng)物的可選擇共生體，如沃爾巴克氏菌，也被發(fā)現(xiàn)操縱其宿主的生殖特性。對(duì)真核生物-細(xì)菌共生關(guān)系的研究揭示了一系列從可選擇性到義務(wù)性（可能或可能不是互惠性）的共生交互作用，以及從暫時(shí)性到永久性和穩(wěn)定性的共生關(guān)系。已發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌能夠在人類細(xì)胞和單細(xì)胞原生生物內(nèi)建立細(xì)胞內(nèi)生態(tài)位，這些宿主在進(jìn)化上距離遙遠(yuǎn)。值得注意的例子包括肺炎桿菌、銅綠假單胞菌、新菌屬諾維西達(dá)、伯克氏桿菌和阿維菌屬結(jié)核菌。纖毛蟲(chóng)是一類高度多樣化的原生生物，已有超過(guò)8000種自由生活物種記錄，其進(jìn)化歷史可以追溯到約11億年前?？紤]到其顯著的物種多樣性、廣泛的分布和多樣化的營(yíng)養(yǎng)偏好，纖毛蟲(chóng)已成為研究真核生物基本生命過(guò)程的理想模型。
傳統(tǒng)上，纖毛蟲(chóng)內(nèi)部的細(xì)菌被稱為“共生體”。然而，顯微鏡和基因組研究揭示了一系列棲息在纖毛蟲(chóng)細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)隔室的細(xì)菌群落。最近的研究還表明，立克次體目細(xì)菌可以在柵紋蟲(chóng)表面獨(dú)立復(fù)制，挑戰(zhàn)了其義務(wù)性細(xì)胞內(nèi)本質(zhì)的先前概念。另一種細(xì)菌內(nèi)共生體，“Azoamicus ciliaticola”菌，通過(guò)反硝化為其厭氧的纖毛蟲(chóng)宿主提供能量，代表了朝向成為細(xì)胞器的中間階段。然而，由于獨(dú)立培養(yǎng)共生體所面臨的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致了我們對(duì)建立和維持內(nèi)共生關(guān)系的調(diào)節(jié)機(jī)制的了解仍然不足。對(duì)一些成功培養(yǎng)的共生體進(jìn)行的以往研究提供了一些有關(guān)貢獻(xiàn)于共生系統(tǒng)的基因和途徑的洞察。然而，這些研究?jī)H代表了自然環(huán)境中存在的龐大纖毛蟲(chóng)-細(xì)菌相互作用的一小部分。為了全面了解這些共生關(guān)系的普遍性和重要性，需要進(jìn)一步的研究涵蓋廣泛的纖毛蟲(chóng)物種和環(huán)境條件。
從幾乎覆蓋整個(gè)纖毛蟲(chóng)門(mén)的樣本中鑒定纖毛蟲(chóng)相關(guān)細(xì)菌（圖片源自Microbiome)
在本研究中，作者利用宏基因組學(xué)技術(shù)以前所未有的細(xì)節(jié)對(duì)來(lái)自12個(gè)級(jí)別的91個(gè)物種的246個(gè)樣本的共生細(xì)菌進(jìn)行了表征?；?.1 Tbp的基因組序列數(shù)據(jù)，作者鑒定了6,042,995個(gè)細(xì)菌
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