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作者:王瑞 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2008-12-16 10:59:50
海蜗牛为何能进行光合作用 详解PNAS论文
 
科学网最近报道了这样一则消息——“美国科研人员日前捕捉到一种极不寻常的生物——一种以海藻为食并将海藻色素吸收到自身细胞中的海蜗牛。更令人惊讶的是,这种蜗牛不仅能借此进行很好的伪装,还能像植物一样进行光合作用以获取能量。”(见更多阅读) 我刚开始也是被这句话吸引,但读完这篇发表在美国《国家科学院院刊》(PNAS)上的论文以及相关的背景资料之后,才发觉它的重点并不在此。为什么呢?因为这种“太阳能”海蜗牛(sea slug)并非首次被发现,而且科学家对它早有研究。
 
早在1876年,人们就观察到海蜗牛体内有绿色的颗粒(Brandt, 1883)。90年后,这种颗粒被确认与藻类细胞内叶绿体具有完全相同的结构(Kawaguti & Yamasu, 1965),接着,在上世纪60-70年代,科学家们对这种小东西进行了详尽的研究,证明它获取了叶绿体后便获得了光合自养的能力。能够进行光合作用的海蜗牛(软体动物腹足纲后腮目)种类不少,在其两个亚目sacoglossans(囊舌亚目,素食)和nudibranchs(裸腮亚目,杂食)里都有例子存在。本文研究的海蜗牛属于前者,可以在没有进食任何藻类食物的情况下,靠光合作用维持9个月之久。而有一种更牛的Elysia cf. furvacauda,一生中甚至可以改变自己的食谱至少三次,吞食不同的藻类进行光合作用。不过,海蜗牛摄入体内的叶绿体,并不能遗传给后代。
 
这里读者不禁要问,既然不是新的发现,那么这篇研究论文究竟说的是什么?别着急,听我慢慢道来。科学研究总是在前人的基础上进行,总有它的动机和出发点。如果不了解背景知识,那么可能很难读懂这篇论文。其实,这篇论文的背景知识比其本身更有意思。
 
上面提到了,对于海蜗牛的研究,在上世纪70年代达到顶峰。但可惜的是,它接下来失去了经费支持,在80年代直至90年代初期,陷入停顿。近年来,随着分子生物学手段的发展,以及共生现象(symbiosis)在真核生物进化当中的作用越来越受到重视,“这个古老的学科重新焕发出了青春”。
 
共生是很宽泛的说法,大致是指不同种群(存在生殖隔离)的生物个体相互依存、共同生活的现象;如果其中一位在另一位的体内,则称为“内共生”。内共生理论是上过生物课的人比较熟悉的名词,最早由俄国人Konstantin Mereschkowski提出(1905),但当时很快被人扔到一边忘掉。直到80年代,在得到广泛证据支持的情况下(尤其是比较rRNA序列之后)才得以普及。根据完善后的理论,在很久很久以前,某个消化不良的厌氧细胞甲,吞掉了好氧细菌乙,但却消化不了对方(例如,乙有着很有韧性的质膜,或者更可能的是,甲自己的生命力实在太弱,因为大气里的氧气越来越多,日子越来越不好过了;这大概要怪那个叫做蓝藻的家伙吧)。僵持过程中,甲体内大量的半消化的食物泡被乙得到;乙如鱼得水——或者,好像饥饿的人扑到面包上一样——迅速利用自己体内的氧气,把它们消化得又快又好,制造出了大量的ATP(类似能量块的东西)。因为能量太多了,所以泄露了一点出来,跑到甲的细胞质里。结果,甲发现这样其实很不错:因为乙的存在,甲在有氧的环境下居然也可以获得足够的能量,活得越发滋润了。日久天长,甲再也离不开乙,而乙就变成了甲体内的细胞器:线粒体。同样地,质体(例如,叶绿体)的诞生历程与此相似,是与蓝藻(亦称蓝细菌、蓝绿细菌,是已知唯一可以进行有氧光合作用的原核生物)共生的结果。
 
在真核生物域的下面,植物界的上面,有一个“泛植物”的概念(Archaeplastida),包含了所有陆上植物、绿藻、红藻和灰藻。这些生物的叶绿体,统统都是双膜结构,因此被认为是与蓝藻初级共生的结果。这个是大家早就知道的事情了。近些年来(2000年以后)的新发现是,这些质粒的很多基因可以进一步整合到宿主的核基因组当中。这类现象被称为“共生基因传递”(EGT)。叶绿体不仅存在于“泛植物”当中,还存在于其他一些真核生物当中,如裸藻、囊泡藻类等。但后者的叶绿体具有三层甚至四层膜,被认为是次级共生(例如,吞掉绿藻或红藻,得到其双层的叶绿体后,再加一层)演变而成,这时候,发生的不仅仅有叶绿体与宿主之间的EGT,还有被吞食的绿/红藻类核基因组与宿主之间的HGT(水平基因转移)。这些基因转移的后果,便是造成质体内的遗传物质相比于蓝细菌少得多,仅含不到10%的代谢基因,大多都被整合到宿主的核基因组里。整合的好处,不仅仅使得宿主可以控制叶绿体的代谢,还增加了其基因组的复杂度,甚至进而赋予这些外源基因以新的功能。例如,关于拟南介(Arabidopsis)基因组的一项研究显示,这种陆生植物高达18%的核基因来源于蓝细菌,而其中有一半已经在行使全新的功能(在陆生植物的亲兄弟——灰藻当中,这两个数字分别是10.8%、1/6)。因此,可以想象,这种共生关系对于真核生物的进化有着相当的促进作用。
 
那么,这跟海蜗牛有什么关系么?或者说,海蜗牛与叶绿体的共生关系有什么特别之处吗?这种共生关系很罕见?倒不是因为这个,共生关系很常见,但一般的细胞内共生,都是宿体自己有一层膜,然后宿主再加一层膜,层层包好,互相之间的遗传物质不随便掺合。假如海蜗牛也是这样子:把吞食的囊泡藻(前面说了,这是一种次生藻类)包好,形成一种与囊泡藻的共生关系,利用叶绿体产能(注意这个时候是:叶绿体基因+囊泡藻基因→光合作用),那就没什么奇特之处。关键是,事实与此相反:海蜗牛会“吐皮儿”。即它会把吞食的囊泡藻的膜消化掉,只留下囊泡藻的叶绿体。注意,这个时候叶绿体内只有光合作用所需要的部分基因,而本来由囊泡藻提供的另外一部分基因,已经被消化掉了。按理说,光合作用就不应该能够进行了,可是这种海蜗牛居然可以,而且能够维持一生。那么,这是不是意味着,海蜗牛作为一种动物,居然可以提供光合作用所需的基因呢?而这个基因是不是通过水平基因转移(HGT),从囊泡藻中得来的呢(例如,长期食用囊泡藻的结果)?如果真的是这样,那就非常有趣,因为已知的大多HGT都是存在于原核生物之间,原核与单细胞真核生物之间,对于两个多细胞真核生物之间的水平基因转移,迄今人们还知之甚少。找到这样的例子,搞清楚它的机理,不仅仅对于进化研究有重要的意义,而且还将成为临床中运用基因疗法的理论基础。也因为这样,多细胞生物之间的水平基因转移,才被《科学》杂志(2005)列为未来25年内须被解答的125个重大科学课题之一。
 
这篇PNAS文章的意义也在于此,即,揭示了一种对于光合作用至关重要的基因psbO在两种多细胞生物——囊泡藻与海蜗牛之间的水平转移。不过,这其实也不是首例发现。在此之前,有研究已经揭示有另外三种基因:fcp, Lhcv1, Lhcv2,在这两种生物之间也发生了类似转移,但因为发表在影响力比较小的杂志《共生》(Symbiosis)上(2007),不太为人所知。这两篇文章在学术上的价值大小,我是门外汉,无从评价。下面简要地介绍一下本篇PNAS论文的研究方法,以飨各位读者的好奇心。
 
首先,科学家们把囊泡藻的叶绿体进行测序,同预计的一样,它缺少很多光合作用必须的基因,其中就包括psbO。众所周知,光合作用的重要一步是把水分解为氧气与氢,而psbO所编码的MSP蛋白被认为起到了稳定这一反应的作用,并且存在于所有已知能进行光合作用的生物当中。同时,MSP蛋白还是用量极大的耗材,随着光合作用的进行,需要被不断地重新合成。有鉴于此,科学家预测,海蜗牛不但拥有该psbO基因,而且还表达相应的mRNA。
 
为了验证这两点,科学家们把抓来的海蜗牛在人工海水中先饿了三个月,期间不给任何藻类食物,然后,收集它们的卵进行基因组分析。这样做的目的,是尽量去除海蜗牛胃里残余的藻类DNA的干扰。然后,科学家们利用藻类的psbO基因片段设计引物,去藻类、成年海蜗牛、以及海蜗牛卵里“钓”具有类似序列的DNA。不出所料,在三个地方都钓上来了类似psbO的DNA片段。而利用藻类psbO基因附近的另外一个基因设计引物,则只能在藻类里有所收获,无论是成年海蜗牛还是海蜗牛卵,都没有类似的DNA片段被钓上来。这样,就验证了海蜗牛基因组中psbO的存在。利用Northern Blotting方法,他们还进一步验证了海蜗牛内也有psbO的mRNA,而且比藻类psbO的mRNA还要长一些。
 
把海蜗牛内钓得的DNA片段翻译成氨基酸序列后(注意:这也许与真正的MSP蛋白序列有出入),科学家们发现,它有一段三联定向序列。在藻类的MSP蛋白中也有这段序列,其作用是为了帮助该蛋白跨越包裹在叶绿体外的内质网。而在海蜗牛当中的叶绿体,外表早就没有了这层内质网膜,因此,这个在海蜗牛内并没有明显作用的三联定向序列,进一步暗示了海蜗牛的psbO可能来自于藻类的HGT。
 
既然找到了海蜗牛体内可能存在这样一个“植物基因”psbO的证据,那么决定性的最后一步,自然是确定它在海蜗牛基因组内的确切位置。关于这点,很可惜,受当前技术和财力所限,科学家们没有给出完美的解答。根据以往的经验,HGT转移而来的基因,只有两个去向:线粒体基因组或者核基因组。科学家们仅仅对海蜗牛的线粒体基因组进行了测序(因为它比较小,只有不到15k bp,仅含37个基因),没有发现任何不存在于其他动物线粒体内的基因。除此之外,没有任何内含子,没有任何异常的GC含量(以500 nt为一个区间,步长200 nt)。哪怕是与其他基因组一起构建进化树,这段海蜗牛的线粒体也显得相当的“正常”,即老老实实地呆在它所属的海蜗牛当中。所以,这个基因大概会是在海蜗牛的核基因组内吧。
 
文章最后一句话蛮有意思的:
 
“根据这些发现,我们应该考虑到具有远亲关系的生物体之间(特别是具有任何体接触的)发生天然HGT的可能性。这在转基因生物中尤其如此。”
 
的确,在我们身边遍及转基因食物的今天,这的确有它严肃的现实意义。话说回来,惶恐也好,不以为然也好,都不如认认真真地对待它,用科学的态度和手段搞一个清清楚楚,明明白白。
 
(作者王瑞,现为美国杜克大学博士候选人,电子邮箱rui.rw24@gmail.com
 
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