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科學家揭秘水下生物的共生關係:借我一個肩膀,還你整片天空


DT深科技每天晚上,夜行的夏威夷短尾烏賊(E)都會從它們在太平洋淺水區的洞穴里出來捕蝦。這種高爾夫球大小的軟體頭足綱動物在其捕食者(如海豹、鰻魚和魚)面前沒有太多保護措施,所以它們...

- 2019年3月10日10時31分
- 科學文摘 / DeepTech深科技

DeepTech深科技

每天晚上,夜行的夏威夷短尾烏賊(Euprymna scolopes)都會從它們在太平洋淺水區的洞穴里出來捕蝦。這種高爾夫球大小的軟體頭足綱動物在其捕食者(如海豹、鰻魚和魚)面前沒有太多保護措施,所以它們需要依靠另一種生物——費氏弧菌(Vibrio fischeri)。

圖丨夏威夷短尾烏賊

「它基本就像是短尾烏賊的小隱形衣,」佛羅里達大學空間生命科學實驗室的微生物學家 Jamie Foster 說。費氏弧菌生活在烏賊墨囊內的一個器官中,能夠配合月光的亮度,在夜間發出光芒。作為保護自己不被捕食者發現的回報,短尾烏賊為細菌提供糖分,同時利用糖將它們引誘到特定器官。


這一互惠關係已經進化了數百萬年,只是多細胞動物和微生物共同工作以增加生存幾率的眾多例子之一。不過,科學家們對這種關係如何進化、是什麼使動物進化出專門引誘共生生物的器官等問題仍所知甚少。

如今,Foster 和一支國際研究者團隊繪製了夏威夷短尾烏賊的基因組圖譜,為探索這一系列問題提供了新工具。通過剖析短尾烏賊的基因組,研究團隊發現了它們的發光器官與另一個支持繁殖的共生器官完全不同的進化路徑。這篇發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of

Sciences)的文章為包括人類在內的動物-微生物相互作用領域奠定基礎。

圖丨佛羅里達大學的微生物學家 Jamie Foster 研究短尾烏賊的免疫反應以深入了解人類的免疫系

這項工作同時標誌著首個烏賊目動物基因組的完成——同時在 2015 年章魚基因組圖譜發表後第二個完成的頭足綱動物。「擁有其基因組將是研究共生關係的巨大資源,」來自芝加哥大學、參與過章魚基因圖譜繪製的學者 Cliff Ragsdale 說。


鑒於短尾烏賊的觸鬚、變色的皮膚和其他新奇的生物特性,它們似乎不是幫助研究人類或其他動物共生關係的顯而易見的候選者。但是科學家們已經把這個物種作為一種共生模式生物研究了 30 多年。「我們有著許多相同的基因和基因通路,所以我們能夠通過這些共生模式系統發現到許多可能與我們健康相關的信息,」Foster

說。例如,人類和烏賊有著同樣的免疫系統組成。實際上,因為我們的免疫系統之間的相似性,Foster 將烏賊送上太空,用來研究人類在宇宙飛行產生的免疫應答。

除此之外,短尾烏賊還有著對共生研究來說得天獨厚的特性。短尾烏賊的發光器官並不像人類腸道和自然界中大多數其他共生器官那樣,與一群細菌結成夥伴關係,而是與費氏弧菌形成嚴格的「一夫一妻制」關係。短尾烏賊的免疫系統只識別並在發光器官內培育這一種細菌,避開所有其他追求者。「因為我們的研究中只有一個宿主和一個共生體,所以我們更容易梳理狀況。」康狄涅格大學的共生關係學專家 Spencer Nyholm

說。

圖丨夏威夷短尾烏賊(Euprymna scolopes)有著美麗的透明身體,並且發光器官內只有一種共生細菌,使它成為共生研究的理想生物。烏賊外套膜中的暗處即為其墨囊與發光器官的位置標記(來源:quantamagazine)

利用目前繪製出的基因組圖譜,研究人員可以進一步探索共生關係位置的解剖學起源。在發光器官的例子中,烏賊必須能夠監控和調節它發出的光以匹配天空中的月光的亮度。「他們需要一種與眼睛基本類似的機制,」Nyholm

說。研究團隊的確在發光器官中發現了一些在烏賊眼睛中廣泛存在的活性基因,其中包括一類能夠表達高濃度、名為「反光素」(reflectins)的可反光蛋白。短尾烏賊似乎複製和修改了它已有的基因,從而創造出這種新器官——其中甚至包括了一個像眼睛晶狀體一樣的結構。

該團隊研究的第二個共生器官,副纏卵線(accessory nidamental gland, ANG),由完全不同的路徑進化而來。ANG 僅存在於雌性烏賊體內,它產生一種凝膠狀的、充滿細菌的包膜,保護烏賊的卵不受其他定植微生物的污染。這個器官內生活著許多種類的細菌,並活躍表達著在短尾烏賊體內其他地方及其他烏賊體內都不活躍的新基因。「為了進化這個器官,它必須自己合成這個基因,」Nyholm

說。

圖丨兩個短尾烏賊的發光器官嵌在墨囊內,位於墨囊兩側葉。費氏弧菌獨占這些器官,產生綠色螢光蛋白,透過烏賊透明的身體發出螢光(來源:quantamagazine)

儘管這兩個器官獨自分開進化,但它們都是相對烏賊進化史較為近期才出現——發光器官大約 3000 萬年前出現,約在章魚與烏賊發生進化歧異 2 億 4 千萬年後。

「我認為這是個巨大的貢獻,」來自康奈爾大學的昆蟲學家暨共生學專家、The Symbiotic Habit 一書作者 Angela Douglas 說道。她指出,研究人員們能夠利用基因組排除一些有關器官形成的假設,並深入挖掘動物與微生物形成良好關係的機制。

「我們總有這樣一種觀念:『微生物是有害的』、『清潔接近聖潔』、動物非常善於發現微生物並殺死它們,」Douglas 說。但其實許多生物為微生物提供了棲息之處。「我們不是在忍受它們,」她補充道,「而是我們的確需要它們。」

澳大利亞詹姆斯庫克大學的海洋生物學家 David Bourne 說,新的基因組還將幫助研究人員研究微生物如何影響宿主的進化,反之亦然。他於近期在 mBio 雜誌發表了一篇整理多種海洋物種與其共生生物共同進化的綜述。「微生物的多樣性和豐富性讓我們研究共同進化的概念變得有些困難,」他說。但是短尾烏賊模型的簡單性和如今獲得的基因組,將幫助解決這種複雜問題。


圖丨短尾烏賊的解剖圖展示了它的兩個共生器官:組成副纏卵腺 (ANG) 的大量導管和發光器官。發光器官發光是因為它能夠高度反光的組織,這些組織通常從細菌那裡收集光線,並通過一個透鏡引導它們。產生這種蛋白質的基因似乎是從烏賊的眼睛裡借來的(來源:quantamagazine)

生物體對微生物的依賴方式,遠遠超出了偽裝和保護卵子的範圍。德克薩斯大學奧斯汀分校的進化生物學家 Nancy Moran 說,例如,蜜蜂依賴 8 種不同的腸道細菌來維持健康;蚜蟲依賴細菌產生從食物中無法獲取的胺基酸。在 Moran

關於蚜蟲基因組的研究中,她發現這種昆蟲利用回收的基因和新的基因組合來構建它們產生胺基酸的器官——「或者說至少那些新基因已經進化到無法看出與之前的有任何聯繫的程度,」她說。

除了為微生物提供營養和居所外,動物宿主已經進化出能夠支持微生物發揮有益作用的功能。研究者們認為,短尾烏賊將它們的墨囊作為照相機快門一樣來調節發出光線的亮度,Nyholm 說。並且,一些烏賊的血細胞似乎能夠進入發光器官,以犧牲自己的方式釋放糖顆粒。隨後細菌利用糖分發酵,產生酸性環境,有助於螢光素酶發光。

人類也進化出了支持微生物活動的特定微環境,Nyholm 指出。胃內酸性很強,而結腸內則偏鹼性——在這些不同條件下,每個器官中不同的微生物群落繁榮發展。就像烏賊一樣,人類的免疫系統已經進化到能夠識別並迎接這些屬於不同位置的共生體。

(來源:quantamagazine)

但是當信號出錯,我們的免疫系統不能識別這些有益的細菌時,炎症性腸病和其他免疫疾病就會出現,Nyholm 指出。因此,通過了解烏賊如何在不同的環境中與細菌進行交流,研究人員最終可能會了解這些免疫疾病的基礎,他說。

研究短尾烏賊這種共生關係的優勢在於其天然的簡單性:人類腸道中微生物種類繁多,難以觀察,但烏賊的發光器官與費氏弧菌有一對一的關係。並且周圍只有透明皮膚。「短尾烏賊作為研究對象的妙處在於能夠真實看到細菌進入宿主的過程,」威斯康星大學麥迪遜分校微生物學家 Mark Mandel 說。他應用短尾烏賊的微生物共生關係作為類比研究其他系統,未參與此研究。

為了進一步了解動物如何與微生物交流,研究人員現在正致力於開發一種用來操控和敲除烏賊基因的方法,從而探索哪些基因對哪些功能至關重要。「現在我們終於可以提出更大的問題了,」Foster 說。

同時,隨著其他幾種頭足類動物基因組繪製即將完成——包括一些屬於巨烏賊、藍圈章魚和其他屬的動物——以及越來越先進的技術,研究者們將很快研究出短尾章魚的特別之處,及頭足類動物之間和與其他動物之間的共性,Ragsdale 說。

「一旦獲得這些基因組,人類幾年之內將開創新的領域。」他說。


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