伯克利科学家在莫诺湖发现了一种新的领鞭毛虫物种，该物种能够形成多细胞菌落并容纳微生物群，为理解多细胞生物的进化提供了新的视角。
内华达山脉东部的莫诺湖，其湖水含有盐分、砷和氰化物，是一个极其恶劣的环境。除了丰富的盐水虾和碱蝇形成的黑云外，那里很少有生物存在。
如今，来自加州大学伯克利分校的研究人员在该湖泊的咸水浅滩中发现了一种新的生物——这种生物或可帮助科学家揭开6.5亿多年前动物起源的谜团。
发现领鞭毛虫
这种生物是领鞭毛虫，一种可以分裂并发展成多细胞群落的微小单细胞生物，其发育过程与动物胚胎的形成过程相似。然而，它并不是一种动物，而是所有动物姊妹组的一个成员。作为动物最接近的活体亲属，领鞭毛虫是从单细胞到多细胞生命的重要模型。
令人惊讶的是，它拥有自己的微生物群，使其成为已知的第一个与细菌建立稳定物理关系的鞭毛虫，而不仅仅是吃掉它们。因此，它是已知具有微生物群的最简单的生物体之一。
领鞭毛虫：填补进化空白
“关于领鞭毛虫，我们知之甚少，只有了解了它们的生态，我们才能洞察到有趣的生物现象，”加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授、霍华德·休斯医学研究所（HHMI）研究员妮科尔·金说，她以领鞭毛虫为模型研究古代海洋中的早期生命。
合鞭毛虫通常只能通过显微镜看到，经常被水生生物学家忽略，他们通常关注宏观动物、光合藻类或细菌。但是，它们的生物学特性和生活方式可以让我们对动物进化前生活在海洋中的生物有所了解，这些生物最终进化成动物。这种特殊的物种可以阐明动物和细菌之间的相互作用起源，这种相互作用产生了人类微生物组。
“动物在充满细菌的海洋中进化，”金说。“如果你考虑生命之树，所有现在还活着的生物都通过进化时间相互关联。因此，如果我们研究今天还活着的生物，那么我们就可以重建过去发生的事情。”
金和她的加州大学伯克利分校的同事们在《mBio》杂志上发表的一篇论文中描述了这种生物体，他们将其命名为“巴罗卡单齿菌”，以该湖命名。
在莫诺湖新发现的名为Barroeca monosierra的物种。这些生物的群落由许多相同的细胞（青色）组成，每个细胞都有鞭毛（绿色），使它们能够在水中自行移动。这种领鞭毛虫群落拥有自己的微生物群（红色），这在这些生物中是从未见过的。与细菌相互作用的细胞外基质显示为白色。图片来源：挪威萨尔斯中心的戴维斯·劳顿和帕维尔·伯克哈特；加州大学伯克利分校的肯特·麦克唐纳和妮科尔·金
来自意外发现的见解
近十年前，当时还是加州大学伯克利分校研究生的丹尼尔·里希特从内华达山脉东部的一次登山之旅归来，他顺手带回了一瓶莫诺湖湖水。在显微镜下，湖水中充满了领鞭毛虫。除了盐水虾、碱蝇和各种线虫外，几乎没有其他生物能在莫诺湖恶劣的水域中生存。
“这些大的、美丽的领鞭毛虫菌落密密麻麻地挤满了这片水域，”金说。“我是说，它们是我们见过的最大的领鞭毛虫。”
似乎由接近 100 个相同的领鞭毛虫细胞组成的菌落形成了一个空心球体，随着每个细胞鞭毛的摆动而旋转。
金说：“它们有趣的地方之一是这些菌落具有类似于囊胚的形状——这是动物发育早期形成的空心细胞球。‘我们想了解更多有关它的信息。’”
然而，当时金正在忙于研究其他类型的“筛胞虫”（她这样称呼它们），所以莫诺湖的筛胞虫就被搁置在冰柜里，直到一些学生将其复活并染色，才观察到了这些筛胞虫不同寻常的环状染色体。令人惊讶的是，在应该没有细胞的空心菌落内竟然也存在DNA。经过进一步调查，研究生凯莉·哈克（Kayley Hake）断定这些DNA是细菌的。
关于领鞭毛虫和细菌的研究
“这些细菌是个巨大的惊喜。这简直太令人着迷了，”金说道。
哈克还在球形菌落内部检测到了由纤毛虫分泌的被称为细胞外基质的连接结构。直到那时，哈克和金才意识到这些可能不是纤毛虫所吃细菌的残留物，而是生活在菌落分泌物上的细菌。
“从来没有人描述过与细菌有稳定物理相互作用的领鞭毛虫，”她说。“在我们之前的研究中，我们发现领鞭毛虫会对水中漂浮的小细菌分子做出反应，或者领鞭毛虫会吃掉细菌，但没有出现它们在做任何可能是共生关系的事情的情况。或者在这种情况下，是一个微生物群。”
未来研究与启示
金（King）与元基因组学的先驱、加州大学伯克利分校环境科学、政策与管理以及地球与行星科学教授吉尔·班菲尔德（Jill Banfield）合作，以确定水中的细菌种类以及栉水母体内的细菌种类。元基因组学涉及对环境样本中的所有DNA进行测序，以重建生活在那里的生物的基因组。
在班菲尔德实验室确定了莫诺湖湖水中的微生物后，哈克制造了DNA探针，以确定哪些微生物也存在于合胞体中。金说，这些细菌种群并不相同，因此显然在合胞体菌落的缺氧管道中，一些细菌比其他细菌存活得更好。哈克确定这些细菌不是偶然出现在那里的；它们在生长和分裂。金猜测，这些细菌可能是为了逃离湖水中的有毒环境，也可能是合胞体在养殖这些细菌以供食用。
她承认，其中大部分是猜测。未来的实验应该揭示细菌与领鞭毛虫如何相互作用。她实验室过去的工作已经表明，细菌就像春药一样刺激领鞭毛虫交配，而且细菌可以刺激单细胞领鞭毛虫聚集成菌落。
对她来说，莫诺湖中的领鞭毛虫将成为另一个研究进化的模型系统，就像她目前主要关注的加勒比海库拉索岛飞溅池中生活的领鞭毛虫以及南北极水池中的领鞭毛虫一样。然而，从莫诺湖获取更多样本可能是一个挑战。在最近的一次考察中，100个样本中只有6个含有这种充满活力的微生物。
“我认为在莫诺湖微生物生命的研究上还有很多工作要做，因为它确实是生态系统其他所有事物的基石，”金说。“我对B. monosierra作为研究真核生物和细菌之间相互作用的新模型感到兴奋。我希望它能告诉我们一些关于进化的知识。但即使它没有，我认为这也是一个有趣的现象。”
参考文献：KH Hake、PT West、K McDonald、D Laundon、J Reyes-Rivera、A Garcia De Las Bayonas、C Feng、P Burkhardt、DJ Richter、JF Banfield和N King于2024年8月14日在mBio上发表的“莫诺湖中的一种大型殖民性领鞭毛虫寄居着活细菌”。DOI: 10.1128/mbio.01623-24
这项工作得到了霍华德·休斯医学研究所和美国国家科学基金会的支持。
