美國研究人員在一藻類中發(fā)現(xiàn)了能將氮氣轉(zhuǎn)化為細(xì)胞生長可利用氮的細(xì)胞器。這種被稱為硝化原生質(zhì)體（nitroplast）的結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，有助加大基因工程植物轉(zhuǎn)化氮或固氮力度，從而提高作物產(chǎn)量、減少其對肥料的需求。相關(guān)研究成果4月11日發(fā)表于《科學(xué)》。
據(jù)《自然》報道，“教科書上說，固氮過程只出現(xiàn)在細(xì)菌和古菌中。”論文通訊作者、美國加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校海洋生態(tài)學(xué)家Jonathan Zehr說，他們發(fā)現(xiàn)的這種藻類是“第一種能固氮的真核生物”，這里的真核生物是指包含植物和動物的生物群。
上述發(fā)現(xiàn)源于2012年Zehr和同事的一項發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時他們觀察到海洋藻類——貝氏布拉藻，與固氮藍(lán)細(xì)菌UCYN-A存在密切的相互作用。UCYN-A似乎生活在貝氏布拉藻細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞上。于是，Zehr等人提出假設(shè)——UCYN-A將氮氣轉(zhuǎn)化為藻類生長可利用的化合物，如氨，而作為回報，UCYN-A可以從藻類中獲得碳基能量。
此前的研究認(rèn)為，UCYN-A這樣的藍(lán)細(xì)菌作為海洋單細(xì)胞藻類的內(nèi)共生體存在。但在最新研究中，Zehr和同事認(rèn)為，UCYN-A應(yīng)該被歸類為藻類內(nèi)部的細(xì)胞器，而不是一個單獨的生物體。
研究人員通過兩個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)來判斷UCYN-A是否已成為宿主細(xì)胞中的細(xì)胞器：一是，所討論的細(xì)胞結(jié)構(gòu)必須通過宿主細(xì)胞世代相傳；二是該結(jié)構(gòu)必須依賴于宿主細(xì)胞提供的蛋白質(zhì)。
通過對數(shù)十個處于細(xì)胞分裂不同階段的藻類細(xì)胞進行成像，研究人員發(fā)現(xiàn)，UCYN-A在整個藻類細(xì)胞分裂之前一分為二，并通過這種方式，從親本細(xì)胞傳給后代。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)占每個宿主細(xì)胞體積8%以上的UCYN-A缺乏光合作用和制造遺傳物質(zhì)所需的關(guān)鍵蛋白質(zhì)。它從藻類細(xì)胞中獲得生長所需的蛋白質(zhì)。
上述發(fā)現(xiàn)表明，UCYN-A已經(jīng)緊密整合到藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)和器官分裂中，并且它導(dǎo)入了藻類基因組編碼的蛋白質(zhì)，而這些是細(xì)胞器的特征。這足以表明UCYN-A已經(jīng)超越了內(nèi)共生關(guān)系，作為早期進化階段的固氮細(xì)胞器或硝化原生質(zhì)體發(fā)揮作用。
在Zehr看來，了解這種硝化原生質(zhì)體如何與其宿主細(xì)胞相互作用，有助設(shè)計通過自身固氮的作物。這將減少對作物對氮基肥料的需求，避免造成環(huán)境污染。
“讓作物自身擁有固氮細(xì)胞器是非常棒的想法。”德國杜塞爾多夫大學(xué)共生菌專家Eva Nowack說，但將讓植物擁有這種能力絕非易事，尤其困難的是讓含有硝化原生質(zhì)體穩(wěn)定地代代相傳。
