Nature | 百邁客生物助力蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院在內共生研究中取得重大突破！

內共生現象對生命的進(jìn)化產(chǎn)生了深遠的影響，它賦予生物新的生化能力，促進(jìn)創(chuàng )新和多樣化。然而，新內共生現象的誕生非常罕見(jiàn)，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團隊在研究?jì)蓚€(gè)生物之間這種特殊關(guān)系的開(kāi)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(guò)微注射技術(shù)，將細菌移植到絲狀真菌 Rhizopus microsporus?內，從而誘導出一種全新的人工內共生關(guān)系，這一發(fā)現為設計具有理想特征的合成內共生體開(kāi)辟了新的機會(huì )，也為理解內共生進(jìn)化的機制提供了新的見(jiàn)解。

文章標題：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)。

該研究將細菌 Mycetohabitans rhizoxinica?植入真菌?Rhizopus microsporus?中，發(fā)現這種細菌能夠在真菌細胞中繁殖并垂直傳遞給后代。通過(guò)適應性實(shí)驗室進(jìn)化實(shí)驗，研究人員發(fā)現這種人工誘導的內共生關(guān)系可以通過(guò)正向選擇來(lái)提高其穩定性和適應性。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(guò)人工誘導的內共生關(guān)系可以將代謝功能轉移到新的宿主中。

1.FluidFM 技術(shù)實(shí)現細菌注射

使用 FluidFM 技術(shù)，在不破壞真菌小孢根霉（R. microsporus）細胞的情況下將細菌植入其中，通過(guò)該技術(shù)，單次注射可將1-30個(gè)細菌注入R. microsporus內，同時(shí)可通過(guò)實(shí)時(shí)成像觀(guān)察人工誘導的內共生現象的命運。用GFP標記的M. rhizoxinica注射入EH型絲狀真菌，細菌成功在絲狀真菌內定殖并能垂直傳遞（遺傳），表明通過(guò)注射方法可以重建自然內共生。

2.人工內共生關(guān)系的構建

將大腸桿菌（E. coli）注射入真菌，發(fā)現大腸桿菌雖然能在真菌細胞內生存，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(shí)現垂直傳播，表明真菌能夠識別未適應的細菌入侵者，并引發(fā)防御反應，將細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(cháng)。將GFP標記的M. rhizoxinica植入不能內共生的NH型真菌，產(chǎn)生了一種新型的內共生關(guān)系，結果發(fā)現M. rhizoxinica不僅能在其天然宿主EH中穩定生長(cháng)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(guò)FludiFM技術(shù)注射，可以建立新的內共生關(guān)系。

3.內共生的適應性進(jìn)化

為進(jìn)一步提高人工誘導的NH-根霉生菌內共生體系的遺傳穩定性，進(jìn)行多輪生長(cháng)和篩選，以施加正向選擇壓力。隨著(zhù)進(jìn)化過(guò)程的進(jìn)行，攜帶細菌的孢子的萌發(fā)率逐漸提高，并且攜帶細菌的孢子的比例也顯著(zhù)增加，而真菌也在適應性進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了基因突變，這些突變可能與內吞作用有關(guān)，這與共生關(guān)系的穩定性和適應性的提高相一致。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(guān)遺傳效應，這些推測仍需進(jìn)一步驗證。在適應性進(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 能夠將 WF-1360F 轉化為 rhizoxin。這表明，通過(guò)誘導內共生可以將新的代謝功能轉移到宿主中。

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

參考文獻：

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