生物固氮，指的是将大气中的氮气转化为生物可利用的氨的过程。教科书上说，固氮只发生在细菌和古菌中。但是在一项于近期发表在《科学》杂志上的研究中，一个国际研究团队发现首个已知存在于真核细胞内的固氮细胞器。

这个在单细胞海洋藻类中发现的被称为nitroplast（硝基体）的结构，是第四个通过所谓的内共生过程而产生的细胞器。

单细胞藻类Braarudospharea bigelowii（放大1000倍的照片）是已知的第一个能固氮的真核生物，这要归功于它的nitroplast细胞器（箭头）（图/TYLER COALE）

内共生的第四例

内共生是生物学中一种常见的“互利关系”，它指的是一个物种以内共生的方式生活在另一个物种的细胞内。例如，豆科植物（如豌豆）根部的细胞就是固氮细菌的宿主。

虽然内共生关系可以变得非常密切，但几乎在所有情况下，这些生物体仍然是有区别的。只在极少数情况下，内共生的细菌已经与宿主细胞融合，成为宿主的基本组成部分。而这样罕见的事件，科学家已知发生过三次。

第一次这样的事件是线粒体的起源，它的出现让所有比细菌细胞更复杂的生命得以产生。大约10亿年前，同样的事件又发生在叶绿体身上，这一事件让地球拥有了植物。大约6000万年前，另一种蓝细菌与一种变形虫合并，形成了一种不同的光合作用细胞器，这种细胞器被称为载色体。现在，新研究所发现的首个固氮细胞器——nitroplast，是第四个例子。

海藻中的细菌：UCYN-A

2012年，海洋科学教授Jonathan Zehr与他的同事报告说，一种名为Braarudosphaera bigelowii的海藻与一种名为UCYN-A的细菌互动密切，这种细菌似乎生活在这种藻类细胞之内或其表面。研究人员提出，UCYN-A似乎能将氮气转化为藻类生长所需的化合物，比如氨；与此同时，UCYN-A则能够从这种藻类中获得碳基能源作为回报。

到了今年3月，Zehr与合著者在《细胞》杂志上发表了一项研究，表明在不同种类的Braarudosphaera bigelowii中，UCYN-A和它们的藻类宿主之间的大小比例是相似的。他们使用一个模型，验证了UCYN-A与其宿主细胞的生长，是由营养物质的交换控制的。这种生长速率上的同步，正是发生在细胞器身上的情况。因此，研究人员将UCYN-A称为“类细胞器”。但在确认更多其他证据之前，他们并没有断言UCYN-A就是一种细胞器。

在最新的研究中，Zehr与其研究人员总结道：UCYN-A应该被归类为藻类内部的细胞器，而不是一个独立的有机体。

从UCYN-A到nitroplast

在新的研究中，研究人员发现UCYN-A会从其宿主细胞中导入蛋白质，这是某种生物从内共生体向细胞器转变的标志之一：它们开始丢弃DNA片段，基因组变得越来越小，并开始依赖母细胞将这些基因产物或蛋白质运送到细胞中去。

研究人员使用一种称为软X射线层析成像术，观测了藻类Braarudosphaera bigelowii的细胞分裂情况。他们观察到，UCYN-A会与这种藻类细胞一起分裂，每个子细胞都会继承一个UCYN-A。此外，他们还发现，在UCYN-A的大约2000种不同的蛋白质中，约有一半都来自藻类宿主，而非UCYN-A自己产生的。

这些宿主细胞制造蛋白质，并用特定的氨基酸序列标记它们。这些蛋白质被送往UCYN-A。然后，UCYN-A将这些蛋白质导入并加以使用。许多被导入的蛋白质都有助于UCYN-A固氮。研究人员认为，UCYN-A的固氮能力被藻类细胞增强了，产生了比自身所需更多的氮。

这些证据都表明，UCYN-A已经超越了共生体的角色，进化成一个固氮细胞器——nitroplast。研究人员推断，nitroplast可能是在大约1亿年前进化的。

改变观点

这一发现为科学家提供了一个新的、更近的关于细胞器发生的视角，也为海洋生态系统提供了新的洞见。

所有生物都需要生物可用形式的氮。而研究人员发现，从热带到北冰洋，UCYN-A无处不在，它们能从大气中固定大量的氮。这种强大的固氮能力具有全球重要性。

此外，这一发现也有可能改变农业。将大气中的氮合成为氨的能力，是农业在20世纪初开始腾飞的原因。这个使世界上大约50%的粮食生产成为可能的过程被称为哈伯-博施法。与此同时，这个过程还产生了大量的二氧化碳：大约1.4%的全球排放量来自这个过程。数十年来，科学家一直在寻找一种将自然固氮的方法用于农业中。

这个细胞器的发现为固氮提供了一个新的视角，或许能为如何将这种细胞器改造成农作物提供线索。但关于UCYN-A及其藻类宿主的许多问题仍未得到解答。研究人员计划更深入地研究UCYN-A和藻类的运作方式，并研究不同的菌株。

参考来源：

https://news.ucsc.edu/2024/04/nitrogen-fixing-organelle.html

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1075

封面图&首图来源：Tyler Coale