内共生（endosymbiosis）是一种生物生活在另一种生物内部的奇妙生物现象。这种不寻常的关系往往对双方都有益。即使在我们的体内，我们也能找到这种共生关系的遗迹：线粒体就是由古老的内共生进化而来的。
很久以前，细菌进入其他细胞并停留下来，这种共生奠定了线粒体的基础，进而形成了植物、动物和真菌的细胞。然而，人们对内共生这种生活方式究竟是如何产生的仍然知之甚少。
一个细菌如果意外地进入了一个完全不同的宿主细胞，通常会过得很艰难。它需要生存、繁殖并传给下一代。否则，它就会死亡。而且，为了不伤害宿主，它不能为自己索取过多的营养，也不能生长得太快。换句话说，如果宿主和寄居者不能和睦相处，这种关系就会结束。
为了研究两种生物之间这种特殊关系的开端，苏黎世联邦理工学院微生物学教授Julia Vorholt领导的一个研究团队在实验室中启动了这种合作关系。他们观察了可能的内共生开始时究竟发生了什么。相关研究结果于2024年10月2日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi”。
Vorhelt实验室的博士生Gabriel Giger首先开发了一种方法，在不破坏真菌小孢根霉（Rhizopus microsporus）细胞的情况下将细菌注入其中。他一方面使用了大肠杆菌（E. coli），另一方面使用了栖真菌细菌属（Mycetohabitans）的细菌。栖真菌细菌属的细菌是另一种根霉真菌的天然内共生菌。不过，在实验中，他们使用了一种在自然界中不会形成内共生的菌株。
Giger在显微镜下观察了强制内共生时发生的结果。注入大肠杆菌后，小孢根霉（真菌）和大肠杆菌（细菌）都在继续生长，但后者最终迅速生长，以至于小孢根霉对大肠杆菌产生了免疫反应。小孢根霉通过包裹大肠杆菌来保护自己免受其感染，这防止了大肠杆菌传给下一代真菌。
然而，当注射栖真菌细菌属的细菌时，情况并不如此：在小孢根霉（真菌）形成孢子的过程中，一些细菌设法进入了孢子，从而传给了下一代。Giger说：“这些细菌实际上是通过孢子传播给下一代真菌的，这是我们研究中的一个突破。”
图：注射M. rhizoxinica会导致内生菌的垂直传播
适应与进化
当Giger让带有常驻细菌的孢子发芽时，他发现孢子发芽的频率降低了，而且它们的生长速度也比没有常驻细菌的孢子慢。他解释说：“内共生最初降低了受影响真菌的总体适应性。”Giger继续对几代真菌进行实验，有意选择孢子中含有细菌的真菌。这使得这种真菌得以恢复，并产生更多含有细菌但有生命力的孢子。
他们通过基因分析表明，这种真菌在实验过程中发生了变化，适应了定居在内部的细菌。作者还发现，驻留细菌与宿主真菌一起产生了生物活性分子，这些分子可以帮助宿主真菌获得营养，抵御线虫或变形虫等天敌。Vorholt强调说：“因此，最初的劣势可以变成优势。”
脆弱的系统
作者在他们的研究中展示了早期内共生系统的脆弱性。Giger说：“在自然条件下，宿主真菌的适应能力最初会下降，这可能意味着这种内共生系统的早期消亡。”Vorholt说：“新的内共生系统要想出现并稳定下来，就必须有共生的优势。实现这一点的先决条件是，未来的常驻生物带来有利于内共生的特性。对于宿主来说，这是一个通过吸收另一种生物而一举获得新特性的机会，即使这需要适应。”
Vorholt强调说：“在进化过程中，内共生现象显示了它们最终会变得多么成功。”这项研究不仅揭示了内共生的初始阶段，还为我们理解生物间的复杂关系提供了新的视角。
参考资料：
Gabriel H. Giger et al. Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-08010-x.