內(nèi)共生現(xiàn)象對生命的進(jìn)化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它賦予生物新的生化能力，促進(jìn)創(chuàng)新和多樣化。然而，新內(nèi)共生現(xiàn)象的誕生非常罕見，并且難以追溯其起源。近期，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）Julia A. Vorholt團(tuán)隊在研究兩個生物之間這種特殊關(guān)系的開端中取得了重大突破，并在《Nature》上發(fā)表題為“Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi”的論文。他們通過微注射技術(shù)，將細(xì)菌移植到絲狀真菌 Rhizopus microsporus?內(nèi)，從而誘導(dǎo)出一種全新的人工內(nèi)共生關(guān)系，這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計具有理想特征的合成內(nèi)共生體開辟了新的機(jī)會，也為理解內(nèi)共生進(jìn)化的機(jī)制提供了新的見解。

文章標(biāo)題：Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi

發(fā)表期刊：Nature

合作單位：瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

影響因子：50.5

百邁客生物為該研究提供了全基因組測序服務(wù)。

該研究將細(xì)菌 Mycetohabitans rhizoxinica?植入真菌?Rhizopus microsporus?中，發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌能夠在真菌細(xì)胞中繁殖并垂直傳遞給后代。通過適應(yīng)性實驗室進(jìn)化實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)這種人工誘導(dǎo)的內(nèi)共生關(guān)系可以通過正向選擇來提高其穩(wěn)定性和適應(yīng)性。進(jìn)化后的真菌產(chǎn)生了與天然宿主相關(guān)的代謝產(chǎn)物，證明了通過人工誘導(dǎo)的內(nèi)共生關(guān)系可以將代謝功能轉(zhuǎn)移到新的宿主中。

1.FluidFM 技術(shù)實現(xiàn)細(xì)菌注射

使用 FluidFM 技術(shù)，在不破壞真菌小孢根霉（R. microsporus）細(xì)胞的情況下將細(xì)菌植入其中，通過該技術(shù)，單次注射可將1-30個細(xì)菌注入R. microsporus內(nèi)，同時可通過實時成像觀察人工誘導(dǎo)的內(nèi)共生現(xiàn)象的命運。用GFP標(biāo)記的M. rhizoxinica注射入EH型絲狀真菌，細(xì)菌成功在絲狀真菌內(nèi)定殖并能垂直傳遞（遺傳），表明通過注射方法可以重建自然內(nèi)共生。

2.人工內(nèi)共生關(guān)系的構(gòu)建

將大腸桿菌（E. coli）注射入真菌，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌雖然能在真菌細(xì)胞內(nèi)生存，但但很快在局部形成高密度菌斑，引發(fā)宿主產(chǎn)生隔離性隔膜，最終未能進(jìn)入孢子實現(xiàn)垂直傳播，表明真菌能夠識別未適應(yīng)的細(xì)菌入侵者，并引發(fā)防御反應(yīng)，將細(xì)菌物理地控制在分離的菌絲室中，使未感染菌絲能夠正常生長。將GFP標(biāo)記的M. rhizoxinica植入不能內(nèi)共生的NH型真菌，產(chǎn)生了一種新型的內(nèi)共生關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)M. rhizoxinica不僅能在其天然宿主EH中穩(wěn)定生長和傳播，在非宿主NH中也能夠以低頻率垂直傳播到下一代孢子中。這表明通過FludiFM技術(shù)注射，可以建立新的內(nèi)共生關(guān)系。

3.內(nèi)共生的適應(yīng)性進(jìn)化

為進(jìn)一步提高人工誘導(dǎo)的NH-根霉生菌內(nèi)共生體系的遺傳穩(wěn)定性，進(jìn)行多輪生長和篩選，以施加正向選擇壓力。隨著進(jìn)化過程的進(jìn)行，攜帶細(xì)菌的孢子的萌發(fā)率逐漸提高，并且攜帶細(xì)菌的孢子的比例也顯著增加，而真菌也在適應(yīng)性進(jìn)化過程中發(fā)生了基因突變，這些突變可能與內(nèi)吞作用有關(guān)，這與共生關(guān)系的穩(wěn)定性和適應(yīng)性的提高相一致。需要注意的是，由于真菌基因組研究不足，且存在潛在的表觀遺傳效應(yīng)，這些推測仍需進(jìn)一步驗證。在適應(yīng)性進(jìn)化后的共生關(guān)系中，M. rhizoxinica?能在新的宿主菌株 NH 中能夠產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物 WF-1360F，而根霉菌株 NH 能夠?qū)?WF-1360F 轉(zhuǎn)化為 rhizoxin。這表明，通過誘導(dǎo)內(nèi)共生可以將新的代謝功能轉(zhuǎn)移到宿主中。

該研究利用FluidFM技術(shù)建立了一種將細(xì)菌注入真菌細(xì)胞的新方法，并通過對人工誘導(dǎo)的NH-根霉生菌內(nèi)共生體系進(jìn)行長期適應(yīng)性進(jìn)化實驗，顯著提高了內(nèi)共生關(guān)系的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，同時讓非宿主獲得了內(nèi)共生菌介導(dǎo)的代謝新能力。這不僅拓展了對真菌與細(xì)菌相互作用的理解，也為設(shè)計具有特定功能的內(nèi)共生菌提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

Giger, Gabriel H., Ernst, Chantal., Richter, Ingrid., Gassler, Thomas., & Field, Christopher M.. (2024). Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi. Nature.