放大1000倍的贝氏布拉藻。图片来源：Tyler Coale

本报讯 研究人员在藻类中发现了一种细胞器，可将氮气转化为对细胞生长有用的形式。这种被称为硝化质体的结构的发现，可能有助于加大基因工程植物转化氮或固氮的能力，从而提高作物产量、减少对肥料的需求。相关研究成果4月11日发表于《科学》。

“教科书上说，固氮过程只出现在细菌和古菌中。”论文通讯作者、美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校海洋生态学家Jonathan Zehr说，他们发现的这种藻类是“第一种能固氮的真核生物”，这里的真核生物是指包含植物和动物在内的生物群。

据《自然》报道，上述发现源于Zehr和同事2012年的一项研究，当时他们观察到海洋藻类——贝氏布拉藻，与固氮蓝细菌UCYN-A存在密切的相互作用。UCYN-A似乎生活在贝氏布拉藻细胞内或细胞上。于是，Zehr等人提出假设——UCYN-A将氮气转化为藻类生长可利用的化合物，如氨；作为回报，UCYN-A可以从藻类中获得碳基能量。

此前研究认为，像UCYN-A这样的蓝细菌可作为海洋单细胞藻类的内共生体存在。但在最新研究中，Zehr和同事认为，UCYN-A应该被归类为藻类内部的细胞器，而不是一个单独的生物体。

Zehr说，根据之前的一项基因分析，藻类和细菌的祖先在大约1亿年前就开始了共生关系，最终产生了这种在贝氏布拉藻中看到的硝化质体细胞器。

研究人员通过两个关键标准判断一种细菌的细胞是否已成为宿主细胞中的细胞器：一是所讨论的细胞结构必须通过宿主细胞世代相传；二是该结构必须依赖于宿主细胞提供的蛋白质。

通过对数十个处于细胞分裂不同阶段的藻类细胞进行成像，研究人员发现，硝化质体在整个藻类细胞分裂之前便已一分为二，并通过这种方式从亲本细胞传给后代。此外，研究人员发现，占每个宿主细胞体积8%以上的硝化质体缺乏光合作用和制造遗传物质所需的关键蛋白质，它必须从藻类细胞中获得生长所需的蛋白质。

上述发现表明，硝化质体已经紧密整合到藻类细胞结构和器官分裂中，并且导入了藻类基因组编码的蛋白质，而这些正是细胞器的特征，足以表明硝化质体已经超越了内共生关系，并作为早期进化阶段的固氮细胞器或硝化质体发挥作用。

Zehr表示，了解这种硝化质体如何与其宿主细胞相互作用，有助于设计自身固氮的作物。这将减少作物对氮基肥料的需求，避免环境污染。

“让作物自身拥有固氮细胞器是非常棒的想法。”德国杜塞尔多夫大学共生菌专家Eva Nowack说，但让植物拥有这种能力绝非易事，尤其困难的是让硝化质体稳定地代代相传。

（徐锐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adk1075