麻省理工學院:像古代水手一樣，原綠球菌微生物的祖先騎著外骨骼顆粒出海
一項新的研究表明，捕獲碳的浮游植物通過漂流幾丁質顆粒殖民海洋。
在整個海洋中，數十億種植物狀微生物構成了一個看不見的漂浮森林。當它們漂流時，這些微小的生物利用陽光從大氣中吸收二氧化碳。總的來說，這些光合作用浮游生物或浮游植物吸收的二氧化碳幾乎與世界陸地森林一樣多。它們的碳捕獲肌肉中有一部分來自原綠球菌——一種祖母綠色的自由漂浮物，是當今海洋中豐富的浮游植物。
但原綠球藻并不總是棲息在開闊水域。微生物的祖先可能靠近海岸，那里營養豐富，生物在海底的公共微生物墊中生存。那么，這些沿海居民的后代是如何成為今天公海的光合作用強國的呢？
麻省理工學院的科學家認為漂流是關鍵。在一項新的研究中，他們提出原綠球菌的祖先獲得了鎖定幾丁質的能力 - 古代外骨骼的降解顆粒。微生物搭便車在經過的薄片上，利用顆粒作為木筏，冒險進一步出海。這些幾丁質筏也可能提供了必需的營養，在旅途中為微生物提供燃料和維持。
如此強化，一代又一代的微生物可能有機會進化出適應開闊海洋的新能力。終，它們會進化到可以跳船并作為今天生活的自由漂浮的海洋居民生存的程度。
“如果原綠球菌和其他光合生物沒有殖民海洋，我們將看到一個非常不同的星球，”麻省理工學院地球，大氣和行星科學系（EAPS）的研究科學家Rogier Braakman說。“正是他們能夠附著在這些幾丁質筏上，使他們能夠在地球生物圈的全新和巨大的部分建立立足點，以一種永遠改變地球的方式。
Braakman和他的合作者在本周發表在PNAS上的一項研究中提出了他們新的“幾丁質筏”假說，以及支持這一想法的實驗和遺傳分析。
麻省理工學院的共同作者是Giovanna Capovilla，Greg Fournier，Julia Schwartzman，Xinda Lu，Alexis Yelton，Elaina Thomas，Jack Payette，Kurt Castro，Otto Cordero和麻省理工學院教授Sallie （Penny） Chisholm，以及來自多個機構的同事，包括伍茲霍爾海洋研究所。
一個奇怪的基因
原綠球菌是屬于微藍藻類的兩個主要群體之一，它們是地球上小的光合作用生物。另一組是Synechococcus，一種密切相關的微生物，可以在海洋和淡水系統中大量發現。這兩種生物都通過光合作用謀生。
但事實證明，一些原綠球菌菌株可以采用替代生活方式，特別是在光合作用難以維持的低光照區域。這些微生物是“混合營養”的，使用其他碳捕獲策略的混合物來生長。
奇澤姆實驗室的研究人員正在尋找混合營養的跡象，當他們偶然發現幾種現代原綠球菌菌株中的一個共同基因時。該基因編碼分解幾丁質的能力，甲殼素是一種富含碳的材料，來自節肢動物（如昆蟲和甲殼類動物）脫落的外殼。
“這很奇怪，”Capovilla說，當她作為博士后加入實驗室時，她決定更深入地研究這一發現。
對于這項新研究，Capovilla進行了實驗，以確定原綠球藻是否實際上能夠以有用的方式分解幾丁質。實驗室先前的工作表明，幾丁質降解基因出現在生活在低光照條件下的原綠球菌菌株和Synechococcus中。該基因在棲息在更多陽光照射區域的原綠球菌中缺失。
在實驗室中，Capovilla將幾丁質顆粒引入低光和高光菌株的樣品中。她發現含有該基因的微生物可以降解幾丁質，其中只有低光適應的原綠球菌似乎受益于這種分解，因為它們似乎也因此生長得更快。微生物也可能粘附在幾丁質片上 - 這一結果特別引起Braakman的興趣，他研究代謝過程的進化以及它們塑造地球生態的方式。
“人們總是問我：這些微生物是如何在早期海洋中定居的？”他說。“當吉奧做這些實驗時，有一個'啊哈'的時刻。
Braakman想知道：這個基因是否存在于原綠球菌的祖先中，以一種允許沿海微生物附著在幾丁質上并以幾丁質為食的方式，并將薄片帶到海上？
一切都在時機之中
為了驗證這種新的“幾丁質筏”假說，研究小組將目光投向了Fournier，他專門研究歷史上跨微生物物種的基因追蹤。2019年，Fournier的實驗室為那些表現出幾丁質降解基因的微生物建立了一個進化樹。從這棵樹上，他們注意到了一個趨勢：只有在節肢動物在特定生態系統中變得豐富之后，微生物才開始使用幾丁質。
為了使幾丁質筏假說成立，該基因必須在節肢動物開始在海洋環境中定居后不久就存在于原綠球菌的祖先中。
研究小組查看了化石記錄，發現節肢動物的水生物種在大約五億年前的古生代早期變得豐富。根據Fournier的進化樹，這也恰好是幾丁質降解基因出現在原綠球菌和Synecococchus的共同祖先中的時候。
“時機非常可靠，”Fournier說。“海洋系統正以幾丁質的形式充斥著這種新型有機碳，就像使用這種碳的基因傳播到所有不同類型的微生物中一樣。這些幾丁質顆粒的運動突然為微生物真正進入公海開辟了機會。
幾丁質的出現可能對生活在低光照條件下的微生物特別有益，例如沿著沿海海底，據信古老的微藻藍藻生活在那里。對于這些微生物來說，幾丁質將是一種急需的能量來源，也是擺脫它們公共沿海利基的出路。
布拉克曼說，一旦出海，漂流微生物就足夠堅固，可以發展出其他海洋適應能力。數百萬年后，這些生物體準備“冒險”并進化成今天存在的自由漂浮的光合作用原綠球菌。
“，這是關于生態系統共同進化，”布拉克曼說。“有了這些幾丁質筏，節肢動物和藍藻都能夠擴展到開闊的海洋。終，這有助于現代海洋生態系統的崛起。
這項研究得到了西蒙斯基金會，EMBO長期獎學金和人類前沿科學計劃的支持。本文是西蒙斯海洋過程和生態學合作（SCOPE）的貢獻。
