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真核生物-細菌共生系統(tǒng)在多種生理、發(fā)育和進化過程中起著重要作用。然而，目前的理解主要局限于多細胞真核生物，而對包括纖毛蟲在內(nèi)的多樣單細胞原生生物的研究不足。

2024年5月24日，中國科學院動物研究所趙方慶和苗苗共同通訊在Microbiome上在線發(fā)表題為“Exploring the landscape of symbiotic diversity and distribution in unicellular ciliated protists”的研究論文，該研究收集了覆蓋整個纖毛蟲門的246個纖毛蟲樣本，并進行了基于單細胞的宏基因組測序。這項工作迄今為止提供了最廣泛的與單細胞原生生物相關的細菌收集數(shù)據(jù)。從該數(shù)據(jù)集中，作者識別出883種能夠與纖毛蟲共生的細菌，揭示了116種新的細菌共生體基因組以及7種新的古細菌共生體。

研究強調(diào)了纖毛蟲與其共生體之間的密切關系，發(fā)現(xiàn)超過90%的纖毛蟲與細菌共存，且單個宿主同時培育多種細菌的共生關系，觀察到七種不同的細菌共生模式。通過探索共生機制，作者揭示了宿主消化對共生體細胞內(nèi)多樣性的影響。此外，作者還發(fā)現(xiàn)了細菌中存在真核樣蛋白，這可能是它們抵抗宿主消化的潛在因素，從而擴大了它們的潛在宿主范圍。

細菌與真核生物之間的共生關系被認為在進化和物種分化中起著重要作用。在進化上古的內(nèi)共生體被認為是線粒體和葉綠體等真核細胞器的起源，而持續(xù)存在的共生體據(jù)報道為宿主提供了包括新陳代謝、營養(yǎng)補充、防御和移動性在內(nèi)的一系列益處。甚至節(jié)肢動物的可選擇共生體，如沃爾巴克氏菌，也被發(fā)現(xiàn)操縱其宿主的生殖特性。對真核生物-細菌共生關系的研究揭示了一系列從可選擇性到義務性（可能或可能不是互惠性）的共生交互作用，以及從暫時性到永久性和穩(wěn)定性的共生關系。已發(fā)現(xiàn)一些細菌能夠在人類細胞和單細胞原生生物內(nèi)建立細胞內(nèi)生態(tài)位，這些宿主在進化上距離遙遠。值得注意的例子包括肺炎桿菌、銅綠假單胞菌、新菌屬諾維西達、伯克氏桿菌和阿維菌屬結核菌。纖毛蟲是一類高度多樣化的原生生物，已有超過8000種自由生活物種記錄，其進化歷史可以追溯到約11億年前?？紤]到其顯著的物種多樣性、廣泛的分布和多樣化的營養(yǎng)偏好，纖毛蟲已成為研究真核生物基本生命過程的理想模型。

傳統(tǒng)上，纖毛蟲內(nèi)部的細菌被稱為“共生體”。然而，顯微鏡和基因組研究揭示了一系列棲息在纖毛蟲細胞表面和細胞內(nèi)隔室的細菌群落。最近的研究還表明，立克次體目細菌可以在柵紋蟲表面獨立復制，挑戰(zhàn)了其義務性細胞內(nèi)本質(zhì)的先前概念。另一種細菌內(nèi)共生體，“Azoamicus ciliaticola”菌，通過反硝化為其厭氧的纖毛蟲宿主提供能量，代表了朝向成為細胞器的中間階段。然而，由于獨立培養(yǎng)共生體所面臨的挑戰(zhàn)，導致了我們對建立和維持內(nèi)共生關系的調(diào)節(jié)機制的了解仍然不足。對一些成功培養(yǎng)的共生體進行的以往研究提供了一些有關貢獻于共生系統(tǒng)的基因和途徑的洞察。然而，這些研究僅代表了自然環(huán)境中存在的龐大纖毛蟲-細菌相互作用的一小部分。為了全面了解這些共生關系的普遍性和重要性，需要進一步的研究涵蓋廣泛的纖毛蟲物種和環(huán)境條件。

從幾乎覆蓋整個纖毛蟲門的樣本中鑒定纖毛蟲相關細菌（圖片源自Microbiome)

在本研究中，作者利用宏基因組學技術以前所未有的細節(jié)對來自12個級別的91個物種的246個樣本的共生細菌進行了表征?；?.1 Tbp的基因組序列數(shù)據(jù)，作者鑒定了6,042,995個細菌