海蛞蝓是利用藻类的细菌“武器工厂”

2019-10-30 414藻类

美味而贪婪的海蛞蝓——红腹海蛞蝓——像牛一样在亮绿色的海藻上吃草,四处寻找最好吃的东西。

但这种一英寸长的海洋软体动物不仅得到了美味的食物,还吸收了藻类的防御化学物质,蛞蝓可以利用这些化学物质来对付自己的捕食者。

海蛞蝓是利用藻类的细菌“武器工厂”

在一项新的研究中,Princeton领导的研究小组发现,海蛞蝓是利用藻类的细菌“武器工厂”,这些有毒化学物质来自一种新发现的生活在藻类中的细菌。研究小组发现,这些细菌已经变得如此依赖它们的藻类家园,以至于它们无法独立生存。反过来,这些细菌将至少五分之一的代谢努力用于为它们的宿主制造有毒分子。

这三个角色——海蛞蝓、苔藓属海藻和新发现的细菌——相互交织在一起,形成了一种三方共生关系。共生关系是指几个有机体紧密地相互作用。在这个例子中,蛞蝓得到了食物和防御化学物质,藻类得到了化学物质,细菌从它们的藻类宿主那里得到了营养物质作为它们的家和免费的食物。

“海蛞蝓是利用藻类的细菌“武器工厂”,这是一个复杂的系统,这三种生物之间有着非常独特的关系,”普林斯顿大学(Princeton University)分子生物学助理教授、该研究的资深作者Mohamed Donia说。“这对我们理解细菌、植物和动物是如何形成机械依赖关系的具有重要意义,在这种依赖关系中,具有生物活性的分子超越了最初的生产者,最终到达并受益于一个相互作用的伙伴网络。”

前期发现

普林斯顿大学(Princeton)和马里兰大学环境科学中心(University of Maryland Center for Environmental Science)海洋与环境技术研究所(Institute of Marine and Environmental Technology)的研究人员用强大的基因组技术解开了这个谜团,解释了谁在这段关系中起了什么作用。他们对蛞蝓、藻类及其微生物群系的基因组信息进行了排序,这些微生物群系是生活在这些生物体内的细菌。然后他们用计算机算法找出哪些基因属于哪种生物。通过这种方法,他们发现了新的细菌种类,并将其与毒素的产生联系起来。

研究小组发现,这种被他们命名为卡哈盐化假丝酵母(Candidatus Endobryopsis kahalalidefaciens)的细菌会产生大约15种不同的毒素,即kahalalides。这些化学物质对周围的鱼类和其他海洋动物起着威慑作用。至少有一种kahalalides已被评估为潜在的癌症药物,因为它的潜在毒性。

研究人员还发现,这些细菌为了安全的生活,永久性地牺牲了它们的独立性,因为它们不再拥有在藻类之外生存所需的基因。相反,大约五分之一的细菌基因组被用于释放有毒分子,阻止捕食者吃掉细菌的家。

一种能够吃掉毒素的捕食者是蛞蝓。蛞蝓储存它们,建立一个化学武器库,其浓度是藻类毒素的十倍。

研究小组提出的一个问题是,蛞蝓是否不仅需要化学物质,还需要工厂——细菌——本身。但他们发现,蛞蝓并不保留被摄入的细菌,而是把它们当作食物来消化,只保留化学物质。

Elysia rufescens

雪兰属植物因其红色的色调而得名,它们生活在温暖的浅水里,分布在不同的地方,包括夏威夷,研究人员就是在那里收集了这些蛞蝓。Elysia是“太阳能蛞蝓”家族的一员,之所以这样命名,是因为它们与藻类产生能量的光合作用机械——防御化学物质一道隔离,使它们成为世界上为数不多的能从阳光中获取营养的动物之一。

Donia 对藻类如何产生化学防御产生了兴趣,因为其他几种海洋生物——如海绵和被膜动物——利用细菌共生体制造毒素。他决定研究毒素的化学结构,发现它们的结构表明它们是由细菌或真菌构成的。

为了寻求帮助,他求助于马里兰大学环境科学中心的教授、世界海洋生态学专家Russell Hill,包括这个系统。Hill和他当时的研究生Jeanette Davis 协助Donia和普林斯顿大学博士后研究员Jindong Zan, Zhiyuan Li 和 Maria Diarey Tianero在夏威夷收集藻类和蛞蝓。Zan和Li是这项研究的共同第一作者。

解开谜团

Hill说:“在Mohamed的领导下,我们在同事们的努力下进行了合作,最终解决了长期以来kahalalides化合物真正生产者的谜团。”“现在能了解这种非凡的细菌及其合成这些复杂化合物的途径,真是太令人满意了。”

研究小组将这种细菌比作工厂,因为这种微生物以藻类提供的氨基酸的形式消耗原材料,并以有毒化学物质的形式释放出成品。

Donia说,这种特殊的细菌共生体的主题在海洋环境中出奇地常见,从藻类到被膜动物再到海绵,共生体进化到只有一个功能,即为宿主制造防御分子,以换取受保护的生存空间。

这是该团队确认的第二种关系。他们之前的研究发表在4月1日的《自然微生物学》(Nature Microbiology)杂志上,发现了一种与海洋海绵共生的细菌,这种细菌能产生保护海绵不被捕食的毒素。

“最奇怪的是,这种海绵实际上已经进化出了一种特殊类型的细胞,我们称之为‘化学细菌细胞’,专门用来容纳和维持这种细菌的培养,”Donia说。“这很奇怪,因为一般情况下专门的海绵细胞数量很少。同样,细菌不能产生底物,也不能自己生存。”

引用

Princeton University. "Sea slugs use algae's bacterial 'weapons factory' in three-way symbiotic relationship." ScienceDaily. ScienceDaily, 27 June 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190627164743.htm.

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