研究人员发现，与海洋藻类有共生关系的蓝藻物种UCYN-A正表现出向固氮细胞器进化的特征。这一突破为细胞器进化的早期阶段提供了新的视角，并有可能在理解细胞进化方面取得重大进展。

氮是地球上所有生命不可或缺的营养物质。尽管大气中氮气（N2）含量丰富，但许多生命形式在固氮作用之前基本上无法获得氮。这一重要过程将二氮转化为铵，铵是无机氮的重要来源。

虽然有一些细菌能够将二氮还原成铵，但罗德岛大学、巴塞罗那海洋科学研究所、加州大学圣克鲁兹分校和麻省理工学院的研究人员发现，固氮共生生物表现出与细胞器类似的行为。事实上，研究人员认为这些共生生物--UCYN-A（一种蓝藻）--可能正在进化出类似细胞器的特征。他们的研究最近发表在《细胞》杂志上。

共生关系及其影响

UCYN-A 与一种密切相关的海洋藻类B. bigelowii 存在共生关系，生活在通常营养物质含量较低的开阔海域。当有固定氮源时，大多数固氮细菌都有调节二氮利用的机制，以减轻这一过程的高能耗成本。然而，UCYN-A 却失去了这样做的基因，即使在营养丰富的环境中也能将氮气固定为铵。而宿主则通过叶绿体为其提供光合作用固定的碳。

该研究详细介绍了研究人员如何发现 UCYN-A 与其共生伙伴细胞之间的大小关系--这与其他细胞器与其宿主之间的大小关系一致。当细胞器变大时，它们的宿主细胞也会变大--最终分裂和复制。数学建模揭示了通过营养获取和交换调节细胞相对大小的代谢权衡。

固氮细胞器的进化路径

URI海洋学研究生院的海洋学助理教授、该研究的主要作者之一Keisuke Inomura说："固定氮气需要大量的能量和电子，使氮气变成有用的东西。如果UCYN-A正沿着进化的道路发展成为固氮细胞器，而我们发现除B. bigelowii以外的细胞也有这样的细胞器，或者正在发生类似的进化，这可能会改变游戏规则。"

虽然线粒体和叶绿体等细胞器在进化过程中走得更远，但研究人员认为，他们看到的可能是细菌衍生的固氮细胞器进化过程的一个缩影。

"我们的研究重点是大约 1 亿年前出现的一种更近期的共生关系，这使我们能够探索细胞器形成早期的进化过程，"共同第一作者、海洋研究所海洋生物学和海洋学系博士后研究员弗朗西斯科-科内霍解释说。

不过，研究人员指出，还需要更多的研究来证明情况是否如此。"UCYN-A与其宿主之间出人意料的紧密尺寸关系可以用双方的资源经济性来解释。"麻省理工学院地球、大气和行星科学教授、研究小组成员迈克尔-J-弗朗西斯（Michael J. Follows）说："这表明，UCYN-A 可能正走在成为细胞器的道路上：至于它是否已经成为细胞器，则是正在进行的研究课题。"

编译自/scitechdaily