蠑螈共生藻

蠑螈共生藻

蠑螈共生藻是一種在蠑螈胚胎時就存在的綠藻。它能在蠑螈體內進行光合作用。新發現有助於研究脊椎動物細胞的自體識別能力是怎樣形成的。

基本信息

發現過程

蠑螈共生藻蠑螈共生藻

很早以前人們就知道斑點蠑螈和叫做Oophilia amblystomatis的單細胞綠藻存在共生關係。但是這種共生,一直以來被認為只發生於蠑螈胚胎和綠藻的外部——胚胎產生富含氮的廢物去是綠藻的營養,同時綠藻的光合作用增加了胚胎周圍用來呼吸的水體中的氧含量。

加拿大加爾豪西大學的瑞安·克尼(Ryan Kerney)在研究一些發著綠光的小球體——斑點蠑螈((Ambystoma maculatum))的胚胎時,他注意到這些淡綠色不但來自於圍繞在他們周圍的膠質膜,同時也來自於胚胎本身。

2010年7月28日在烏拉圭召開的第九屆國際脊椎動物形態學會議上,克尼對這一發現做了報告,他指出這種綠藻實際上遍布斑點蠑螈身體各處細胞內部。此外,有跡象顯示細胞內部的綠藻可以直接為蠑螈細胞提供光合作用的產品——氧氣碳水化合物

此外,成年雌性斑點蠑螈的輸卵管內也有綠藻存在,那裡也是膠狀胞囊形成的地方。這個發現表明共生藻可能是由母親通過膠狀胞囊傳遞給下一代的。

科研意義

這種和一種光合作用生物內共生的現象以前在非脊椎動物中發現過,例如珊瑚,但是在脊椎動物中卻是第一次。
因為脊椎動物細胞有適應免疫系統——它們把認為不是自身的生物材料破壞掉——所以要在脊椎動物細胞內穩定的共生被認為是不可能的。那這種情況怎么會發生呢?要么是蠑螈細胞關閉了他們內部的免疫系統,要么是綠藻繞開了免疫系統。
“抱著隨便試試的想法,我決定對一個還沒孵化蠑螈胚胎進行長時間螢光照射並觀察了其圖像,”克尼說。結果發現細胞內廣泛分布著大量的螢光點——這就表明這些細胞內包含有葉綠素——於是克尼就改用透射電鏡(TEM)仔細觀察。克尼說,TEM圖像顯示“含有綠藻的蠑螈細胞中通常有一些線粒體環繞在藻類共生體周圍。”
線粒體是動物細胞的動力工廠,它把氧氣的葡萄糖新陳代謝的產物轉換成ATP——一種細胞用來儲存能量的分子。因此蠑螈線粒體聚集在藻類細胞周圍可能是為了更快捷地利用這些光合作用細胞產生的氧氣和碳水化合物。

疑問

理論上講,脊椎動物的細胞含有調節適應性的免疫系統,它會殺死無法識別的異己生物,因此藻類想要固定地共生在蠑螈細胞內部幾乎不可能。而研究人員對這一新發現的解釋是,要么蠑螈的細胞關閉了自體免疫系統,要么藻類有效避開了這一免疫機制。

共生關係

兩個物種是如何發展成這種共生關係現在還不得而知。但是克尼正在探索綠藻是怎么進入蠑螈細胞的,一些早期的發現對此提供了幫助。
加利福尼亞大學聖克魯茲分校的海洋分子生物學家琳達·戈夫(Lynda Goff)研究這對生物已經有30年之久,她的研究表明,除去其它因素,周圍膠狀胞囊缺少藻類的胚胎孵化遲緩。“我們發現隨著蠑螈胚胎的發育,藻類細胞的數量成對數增加。”她說。
藻類對數增加意味著它們或者是在胚胎髮育的時候快速分裂,或者是從外部迅速進入膠體或胚胎。 那么藻類是如何進入蠑螈胚胎的呢?可能是在胚胎神經系統開始形成的時候。會議上克尼展示印第安那大學的羅傑·甘傑特( Roger Hangarter )製作的一個延時視頻,顯示了胚胎每個發育階段鄰近它的綠色螢光。
這些是螢光是快速繁殖的藻,這可能是由胚胎釋放出的富含氮的廢物引起的。如果廢物可以釋放出來,那么肯定有一種方式可以進入——並且藻類的數量爆發大大增加了進入胚胎的機會。 這也可以解釋為什麼以前那么多研究者都沒有在斑點蠑螈內發現共生藻:他們研究的胚胎大都沒有與藻類爆發的時期一致,因此細胞內的藻很少。 不過這並不表明胚胎的早期階段就不含有藻。
克尼的一個最奇妙的發現是成年雌性斑點蠑螈的輸卵管內也有綠藻存在,那裡也是膠狀胞囊形成的地方。這個發現表明共生藻可能是由母親通過膠狀胞囊傳遞給下一代的。 “我很奇怪如果藻類真的能進入生殖細胞,”加州大學伯克利分校的退休教授大衛·韋克(David Wake)觀看了克尼的展示後說,“那它對脊椎動物細胞會處理掉外來的生物物質的信條將是一個很大挑戰。但是為什麼不能呢?”
韋克和西班牙國家自然科學博物館專門研究蠑螈的大衛·巴克利都認為這項工作可能告訴我們更多關於脊椎動物細胞的自身識別是如何形成的。因為蠑螈可以的四肢可以再生,成年蠑螈幾乎所有的細胞在一生中都具有一定程度的多能性——已經分化的具有專門功能的細胞還能繼續分裂轉變成其它類型的細胞。 成年蠑螈已分化細胞能夠在體內容納藻類可是因為他們學習的自識別與其它脊椎動物不同。“這讓我很想知道是否其它已知的與藻類外共生的蠑螈細胞內也含有藻類,”參與會議的辛辛那提大學發育生物學家丹尼爾·巴克霍爾茲(Daniel Buchholz)說,“我認為如果人們開始尋找我們可能會發現更多的例子。”

進入蠑螈胚胎

可能是在胚胎神經系統開始形成的時候。會議上克尼展示印第安那大學的羅傑·甘傑特( Roger Hangarter )製作的一個延時視頻,顯示了胚胎每個發育階段鄰近它的綠色螢光。
這些是螢光是快速繁殖的藻,這可能是由胚胎釋放出的富含氮的廢物引起的。如果廢物可以釋放出來,那么肯定有一種方式可以進入——並且藻類的數量爆發大大增加了進入胚胎的機會。

展望

如果藻類真的能進入生殖細胞,脊椎動物細胞會殺死體內異己生物的觀點將受到嚴重挑戰,並有助於研究脊椎動物細胞的自體識別能力是怎樣形成的。蠑螈已經分化的具有專門功能的細胞還能繼續分裂轉變成其他細胞,因此具有特有的超強再生能力,從而在進化中形成和其他脊椎動物不同的自體識別能力。

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