有些细菌以内共生方式生活在真菌中
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在共生中,兩種生物體聯合在一起并相互受益;在內共生中,其中一種生物體進一步采用這一策略,生活在另一種生物體內。在某些情況下,它們離不開彼此,例如真菌小孢子根霉和細菌根霉菌(以前稱為(帕拉)根霉伯克霍爾德氏菌)。這種真菌會引起稻苗枯萎病,每年導致亞洲農作物遭受巨大損失。然而,R. microsporus只能與M. rhizoxinica一起做到這一點:細菌產生植物毒素,經真菌處理并釋放。沒有細菌,真菌就無法再形成孢子并有效傳播。作為回報,它為其內共生體提供營養。
“在野外,兩者總是共生,”萊布尼茨HKI 生物分子化學系博士后研究員 Ingrid Richter 解釋道。然而,在實驗室里,研究人員成功地單獨培養了它們。“因此,我們知道細菌仍然能夠感染真菌,”里克特說。
從寄生到共生?
研究小組現在發現一種特定的細菌蛋白,或更準確地說是一種效應蛋白,維持著共生關系。如果研究人員使所謂的 TAL 效應器 1 (MTAL1) 失活,細菌就會不受控制地繁殖,真菌就會用新的細胞壁封閉部分菌絲。現在被捕獲的細菌隨后死亡。Richter 說:“這些 TAL 效應器來自各種感染植物的細菌,它們允許細菌侵入植物細胞。”
就R. microsporus和M. rhizoxinica而言,最初的寄生關系可能已經轉變為共生關系。事實上,如果效應蛋白不存在,細菌可以繼續感染真菌——也就是說,它們“融化”細胞壁并穿透真菌菌絲。然而,它們隨后被真菌視為寄生的。只有當TAL效應器存在時,共生才穩定。里克特說:“這表明,一種對雙方都有利的共生關系與一種可能對一方不利的寄生關系之間的平穩過渡。”
近距離顯微鏡觀察
為了能夠更仔細地觀察感染過程,研究人員開發了一種復雜的系統:他們在通道非常狹窄的微流控芯片中培養真菌。在一個通道中,只有單個真菌菌絲的空間。然后他們添加細菌并在顯微鏡下觀察感染過程幾個小時。“由于這種設計,絲狀菌絲不會在彼此之上生長,因此我們可以準確地看到發生了什么,”里克特解釋道。例如,她能夠證明,當 TAL 效應器關閉時,真菌會在菌絲中形成額外的橫向壁,并且在以這種方式分隔的區域中存在特別大量的細菌。“使用某些染料,我們可以看到捕獲的細菌在幾個小時后就會死亡。”
研究人員現在希望進一步研究效應蛋白觸發的細胞過程。Richter 說:“我們懷疑 TAL 效應子與真菌基因組結合,因為這是這些蛋白質的典型特征,但我們不知道在哪里。” 原因之一是小孢子菌的基因組尚未完全解碼。
研究結果為在進化中發揮重要作用的內共生伙伴關系提供了新的見解。例如,今天的線粒體(植物、動物和真菌細胞的能量提供者)最初可能是內共生體。它們擁有自己的DNA,但長期以來無法獨立生存——與M. rhizoxinica不同。“此外,通過密切的顯微鏡觀察,我們已經了解了很多不同類型的菌絲在真菌菌絲體中的功能,例如營養物質的運輸,”里克特解釋道。
這項研究工作得到了歐盟瑪麗·斯克沃多夫斯卡·居里 (Marie Sk?odowskaCurie) 為英格麗·里希特 (Ingrid Richter) 提供的資助、德國微宇宙卓越集群平衡研究基金會、ChemBioSys 合作研究中心、耶拿微生物通訊學院、萊布尼茨獎的支持該研究由研究領導者克里斯蒂安·赫特維克 (Christian Hertweck) 和瑞士國家科學基金會提供。
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總結
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