作者:曹倩(中國科學(xué)院西北高原生物研究所)
文章來源于科學(xué)大院公眾號(ID:kexuedayuan)
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植物利用光合作用獲得能量,而動物利用食物獲得能量,如果一種生物能兩者兼得是不是很美?
科學(xué)家在自然界里確實發(fā)現(xiàn)了一種能進(jìn)行光合作用的小動物——綠葉海蝸牛(Elysia chlorotica)。它們既能以藻類為食又能利用共生的葉綠體進(jìn)行光合作用,簡直“混淆”了動物和植物的界限。
圖1 綠葉海蝸牛的身體展開像一張綠葉,卷起來也像葉子
(圖片來源:HalfAnimal,HalfPlant,SporeMagazine, 2014. )
吃一次飯,管一輩子
綠葉海蝸牛是一種海洋軟體動物,它們生活在從加拿大新斯科舍省到佛羅里達(dá)南部的沿海海岸的鹽沼、海涂和淺灣中。綠葉海蝸牛以潮間帶的濱海無隔藻為食,在進(jìn)食的時候,它們以用齒舌刺穿藻類的細(xì)胞壁,吸食其中的營養(yǎng)物質(zhì),包括葉綠體。
海蝸牛網(wǎng)絡(luò)狀的腸道系統(tǒng)遍布全身,會留下完整的無隔藻葉綠體就停留在此,把它們放置在遍布全身的網(wǎng)絡(luò)狀的腸道系統(tǒng)里,海蝸牛就可以利用葉綠體進(jìn)行光合作用為自己制造食物。科學(xué)家替海蝸牛這種不同尋常的本領(lǐng)起了一個專有名詞,叫做“盜食”。
圖2 濱海無隔藻是生長在海岸潮間帶的一種黃藻
(圖片來源:SeaSlugsStealGenes fromAlgae,http://earth-chronicles.ru, 2015.)
圖3 進(jìn)食中的綠葉海蝸牛
(圖片來源:HalfAnimal,HalfPlant,SporeMagazine,2014. )
最近的研究發(fā)現(xiàn),海蝸牛在“盜食”的路上也許走得更遠(yuǎn),它們不僅竊取葉綠體為己所用,而且還能合成新的葉綠素,只要有陽光和二氧化碳,海蝸牛就有源源不斷的能量來源。
實驗證實,幼年海蝸牛只需進(jìn)食足夠的濱海無隔藻,之后在不進(jìn)食的條件下(只提供光照)能夠存活9-10個月之久,這基本就是海蝸牛的整個生命期了,野外生活的個體一般能存活8-10個月(真是吃一次飯,管一輩子)。在斷食期內(nèi),海蝸牛體內(nèi)的葉綠體保持完好并持續(xù)發(fā)揮光合作用。
圖4 A海蝸牛幼體, B幼年的,還沒有進(jìn)食無隔藻的海蝸牛呈現(xiàn)棕色,C進(jìn)食了無隔藻的海蝸牛體色變綠,D成年海蝸牛
(圖片來源:http://designlooter.com)
葉綠體蛋白 蝸牛造?
然而讓科學(xué)家費(fèi)解的是,維持葉綠體正?;顒有枰?000-5000種蛋白質(zhì),而無隔藻的葉綠體基因本身只能編輯139個蛋白質(zhì),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐葉綠體的基本功能。高等植物葉綠體所需的大部分蛋白質(zhì)來自于核基因的編碼,在細(xì)胞質(zhì)中合成然后運(yùn)往葉綠體中實現(xiàn)生化功能。在長時間禁食之后,海蝸牛體內(nèi)的藻類細(xì)胞核早已被消化殆盡了,這些必不可少的蛋白質(zhì)從何而來呢?
科學(xué)家懷疑,這些蛋白質(zhì)是由海蝸牛自己的細(xì)胞核基因編碼的,通過DNA擴(kuò)增技術(shù)(PCR),他們在海蝸牛的體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超過60種藻類細(xì)胞核基因,這些基因持續(xù)合成維持葉綠體正?;顒拥牡鞍踪|(zhì),例如負(fù)責(zé)合成葉綠素的酶。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),這些基因似乎具有遺傳性,因為在海蝸牛的幼體和卵中也發(fā)現(xiàn)了同樣的基因。
圖5 光合作用過程
(圖片來源:Stomata Function, https://biologywise.com)
共生的故事不止這一個
現(xiàn)在我們似乎能看見一個完整的共生故事——綠葉海蝸牛盜食濱海無隔藻的葉綠體,負(fù)責(zé)光合作用的基因從濱海無隔藻的細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到海蝸牛的細(xì)胞核里,光合作用由無隔藻的葉綠體和海蝸牛的核基因共同實現(xiàn)。科學(xué)家宣稱他們發(fā)現(xiàn)了自然界中首例多細(xì)胞真核生物之間的水平基因轉(zhuǎn)移。
水平基因轉(zhuǎn)移不同于常規(guī)的垂直基因轉(zhuǎn)移(即通過有性繁殖由親代到子代的基因傳遞)。水平基因轉(zhuǎn)移, 又稱橫向基因轉(zhuǎn)移, 是指跨越物種進(jìn)行的遺傳信息轉(zhuǎn)移,它打破了親緣關(guān)系的隔離,使基因能在不同物種之間進(jìn)行交換。自然界中,水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象在原核生物和單細(xì)胞真核生物中發(fā)生較為頻繁,而在多細(xì)胞真核生物之間則難于跨越生殖隔離的障礙,類似濱海無隔藻和綠葉海蝸牛之間的水平基因轉(zhuǎn)移更新了人們對于這一領(lǐng)域的認(rèn)知。
就這樣,一旦建立起和葉綠體的共生關(guān)系,海蝸牛就可以懶洋洋地曬著太陽在海床上漫游或是宅在家里,省下尋找食物的時間和能量,把精力放在繁殖后代的人生大事上。即使在食物緊缺的時候,海蝸牛憑借超強(qiáng)的待機(jī)時間也能獲得更多的生存機(jī)會。這種現(xiàn)象體現(xiàn)了海蝸牛對其生活環(huán)境的適應(yīng):它們的食物并不是全年敞開供應(yīng)的,濱海無隔藻只有在漲潮的時候才出現(xiàn),而且得在春季轉(zhuǎn)暖以后才開始生長。
海蝸牛與葉綠體的內(nèi)共生過程中發(fā)生的種種奇跡與巧合,還沒有人敢說自己能完全還原出其軌跡,但它無疑是大自然又一個令人著迷的杰作。其實胞內(nèi)共生現(xiàn)象,在自然界相當(dāng)普遍。例如藍(lán)藻可以共生于真菌、變形蟲和和鞭毛蟲體內(nèi)。細(xì)菌共生于無脊椎動物的細(xì)胞里也是常見的,比如夏威夷短尾烏賊與費(fèi)氏弧菌的共生。
圖6 葉綠體和線粒體的內(nèi)共生起源學(xué)說
(圖片來源:The History of Life on Earth, https://www.ixl.com)
這些故事指向一個更古老的故事,那就是真核生物的內(nèi)共生起源學(xué)說。大約在15億年以前,一些大型的具有吞噬能力的原始真核細(xì)胞,吞并了幾種原核生物(例如細(xì)菌和藍(lán)藻),可是后者沒有被分解消化,卻在原始真核細(xì)胞體內(nèi)過起了寄生生活,它們從寄生逐漸過渡到共生,最后成為宿主細(xì)胞里面的細(xì)胞器。被吞噬的細(xì)菌成為了線粒體,而被吞噬的藍(lán)藻成為了葉綠體。這個過程在歷史上發(fā)生了不止一次,在經(jīng)過第一次內(nèi)共生后,濱海無隔藻的祖先又被另一種真核細(xì)胞吞噬,經(jīng)過二次共生形成了現(xiàn)在的濱海無隔藻??磥?,葉綠體和綠葉海蝸牛的共生就像“俄羅斯套盒”,打開一層又有一層。
結(jié)語
科學(xué)的每一次發(fā)現(xiàn)都引發(fā)更多的問題,而我們在回答這些問題的時候擴(kuò)充了人類知識的疆域。或許有一天,科學(xué)家們能制造出在植物體外工作的人工葉綠體,直接收獲太陽能滿足人類的需要,設(shè)想一下,我們在晴天里曬曬太陽就吃飽了,省下吃飯的時間和錢……
圖7 曬太陽吐金幣的金盞花(不只是游戲)
(圖片來源:網(wǎng)絡(luò))
參考文獻(xiàn):
王洽,樂霽培,張體操,黃錦嶺,孫航. 水平基因轉(zhuǎn)移在生物進(jìn)化中的作用, 2014, 59(21): 2055 – 2064
于惠敏, 解相林. 葉綠體的“內(nèi)共生”與“基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象”. 生物學(xué)通報, 2007, 42: 17-19.
Cesar V. M., David L. A., James R. M., Sidney K. P., &Mary E. R. (2009).Chloroplast genes are expressed during intracellular symbioticassociationofVaucherialitorea plastids with the sea slugElysiachlorotica.Cell Biology, Vol. 93, pp. 12333-12338.
DebashishB.,Karen N. P., Dana C. P.,Kara E. S. &Mary E. R.(2013) Genome Analysis of Elysia chlorotica Egg DNA ProvidesNo Evidence for Horizontal Gene Transfer into the GermLine of This KleptoplasticMollusc.Molecular Biology and Evolution,Vol. 30, pp. 1843–1852.
Keeling P J, Palmer J D. Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution. Nat Rev Genet, 2008, 9: 605–618.
Rumpho ME et al (2011) The making of a photosynthetic animal. The Journal of experimental biology 214(2):303-311.
Rumpho M.E., Summer E.J. & Manhart J.R. (2000) Solar-poweredsea slugs. Mollusc/Algal chloroplast symbiosis. Plant Physiology123, 29–38.
Sabrina D. D., Mark T. B., Patricia J. J. (2004).Ancient Invasions: From Endosymbiontsto Organelles . Science,Vol. 304, pp. 253-257.
Sidney K. P., Nicholas E. C., Julie A. S. (2009).Chlorophyll a synthesis by an animal using transferred algal nucleargenes.SYMBIOSISVol.49, pp.121–131