科學家發現了一種非凡的新型共生形式–一種細菌生活在單細胞生物（纖毛蟲）體內，並為其提供能量。 與使用氧氣的粒線體不同，這種微生物透過呼吸硝酸鹽為宿主提供能量。

最初發現的內共生菌「Candidatus Azoamicus ciliaticola」及其纖毛蟲宿主的插圖。該圖是掃描電子顯微鏡影像（SEM，灰色）和螢光影像的合成圖。可以看到食物液泡中的內共生菌（黃色）和細菌獵物以及大細胞核（藍色）。弱螢光纖毛蟲的外部結構以及纖毛也清晰可見。圖片來源：S. Ahmerkamp/馬克斯普朗克海洋微生物研究所

研究人員最初是在一個淡水湖中發現這種微生物的，隨後他們開始確定這種微生物的分佈範圍。 出乎他們意料的是，他們在世界各地不同的環境中發現了這些微生物，從湖泊和地下水甚至到廢水。 這項發現挑戰了我們對微生物夥伴關係的理解，並揭示了這些微小生物如何在全球生態系統中發揮隱密而重要的作用。

2021 年，德國不來梅馬克斯-普朗克海洋微生物研究所的科學家取得了一項重大發現：一種獨特的細菌生活在纖毛蟲（一種單細胞真核生物）體內，並為其提供能量。 這種共生關係類似於粒線體在細胞中所起的作用，但有一個重大區別：這種內共生菌不使用氧氣，而是透過硝酸鹽呼吸產生能量。

為了更好地了解這些不同尋常的微生物的分佈和多樣性，不來梅的研究人員擴大了他們的研究範圍。 現在，不來梅的研究人員開始進一步了解這些奇特共生體的環境分佈和多樣性。馬克斯-普朗克海洋微生物研究所的雅娜-米盧卡解釋說：”在淡水湖中首次發現這種共生體後，我們想知道這些生物在自然界中的常見程度。 它們是否極為罕見，因此長期以來一直未被發現？ 或者它們是否存在於其他地方，如果存在，它們的新陳代謝能力如何？”

為了找到答案，科學家搜尋了包含大量環境樣本遺傳數據的大型公共定序資料庫。 他們的發現令人驚訝：這些共生體出現在大約1000個不同的資料集中。 米盧卡說：”我們很驚訝它們如此無處不在。我們可以在每個有人居住的大陸上找到它們，此外，我們還了解到，它們不僅可以生活在湖泊和其他淡水棲息地，還可以生活在地下水甚至廢水中。”

科學家在這些資料集中不僅發現了原始共生體，還發現了一些新的近親。 “我們最終確定了四個新物種，其中兩個實際上構成了一個新屬。”第一作者達恩-斯佩思（Daan Speth）解釋說，”由於這一新屬的共生體可能與最初發現的Azoamicus（名字的意思是”氮朋友”）具有類似的作用，我們將新屬命名為Azosocius （”氮夥伴”）。

現在，科學家們想更深入地研究這些新物種的生活。 德國耶拿弗里德里希-席勒大學的克斯汀-庫塞爾（Kirsten Küsel）和威爾-奧弗霍爾特（Will Overholt）最初採集了海尼希的樣本，透過與他們的合作，科學家們得以進入採樣點，研究元轉錄組數據，即描述樣本中基因表現並顯示微生物活動的數據。

斯佩思繼續說：”在這裡，我們又得到了一個驚喜–這些呼吸共生體會玩新花樣。與只能進行厭氧呼吸（即反硝化）的原始共生物種不同，所有新的共生物種實際上都編碼了一種末端氧化酶，這種酶使它們除了氮之外還能進行氧呼吸。這可以解釋為什麼我們在完全或部分缺氧的環境中也能發現這些共生體。”

這些結果現在發表在Nature Communications雜誌上，回答了科學家們關於共生體生物地理學的未決問題。米盧卡展望道：”由於發現了這些新物種，我們現在也可以開始更多地思考它們的進化問題了。”我們希望可以更好地理解這些有益的共生體是如何開始的，又是如何隨著時間的推移而進化的。 “

此外，這項研究還涉及生態學方面，斯佩思補充說：”透過進行反硝化作用，這種共生關係對各自棲息地的氮循環產生了影響，並有可能清除氮氧化物等營養物質，同時產生一氧化二氮等溫室氣體。”

最後但並非最不重要的一點是對微生物世界的簡單欣賞。 「這種生物是大自然的奇蹟，」米盧卡興奮地說。 ” 原生生物能夠進行如此驚人的新陳代謝創新，往往是因為它們很容易與原核生物發生關係。對我來說，這真是令人著迷。 在了解真核生物進化的過程中，這些生物是拼圖中的重要一環。”

編譯自/ ScitechDaily