原生动物内共生系统的建立机制取得新进展

　　2019年1月15日，国际学术期刊The ISME Journal在线发表了中科院北京生命科学研究院赵方庆团队和中科院大学存济医学院苗苗课题组的合作论文Genetic basis for the establishment of endosymbiosis in Paramecium。该研究通过比较基因组学分析和RNA干扰实验，为探索内共生引起的、“正在发生的”遗传改变提供了新的视角，找到了绿草履虫（Paramecium bursaria）-小球藻（Chlorella variabilis）内共生系统调节中的关键基因——谷氨酰胺合成酶glnA。

　　内共生理论作为阐述真核细胞起源的一种学说被广泛接受，而绿草履虫（图1）这样一种单细胞纤毛虫是研究原生动物与绿藻间内共生关系的理想模型。遗憾的是，绿草履虫基因组数据之前一直处于缺失的状态，严重制约着对该系统的研究。已有的研究都是在形态和理化指标水平上探索该内共生现象，不能从全基因组水平上阐述内共生的建立过程和维持机制。

图1. 草履虫及其内共生的绿藻

　　该合作团队通过比较基因组分析发现绿草履虫编码的与氧结合及含氮多糖生物合成相关的基因显著减少，而编码与氮代谢、矿物质吸收和营养运输有关的基因显著增多。结果提示，内共生小球藻在长期进化中能够通过光合作用为宿主细胞提供充足的氧气，从而导致绿草履虫编码结合及运输氧气的基因丢失和功能退化。转录组差异表达分析发现氮代谢途径中谷氨酰胺合成酶基因的表达差异最为显著。在此基础上的RNA干扰实验进一步证实，谷氨酰胺合成酶基因的表达量降低，会显著减少绿草履虫细胞中共生藻的数目。

　　根据这些结果研究人员认为，通过调节谷氨酰胺的合成，绿草履虫可以“圈养”数以百计的内共生小球藻来获取充足的氧气和碳源，并提出了绿草履虫与内共生小球藻之间物质交换和信息交流模型（图2）。此项研究提供的组学数据和实验结果为研究内共生系统中的长期进化提供了强有力的支持，拓展了对绿草履虫内共生系统建立机制的认识。

图2. 绿草履虫与内共生小球藻交互关系模式图

　　该工作主要由赵方庆课题组和苗苗课题组的硕士研究生何明，副研究员王金锋共同完成。课题获得了国家自然科学基金委和中国科学院的经费支持，并得到中国海洋大学原生动物实验室的帮助。