真核生物中的真核—原核共生系统在生理、发育和进化中扮演着至关重要的角色。古老的内共生体（如叶绿体和线粒体）在真核细胞中长期存在，为宿主细胞提供新陈代谢、营养补充、防御、运动和生殖等优势。然而，目前对内共生关系的理解主要来自于多细胞真核生物，而单细胞原生动物中的内共生系统的多样性、互作关系及演化历史却鲜为人知，这极大限制了我们对真核—原核共生系统的全面理解。
2024年5月24日，中国科学院大学苗苗团队与中国科学院动物研究所赵方庆团队在国际期刊《Microbiome》上发表了题为“Exploring the landscape of symbiotic diversity and distribution in unicellular ciliated protists”的研究成果。他们基于单细胞宏基因组测序技术，对几乎整个纤毛虫门的246个样本进行深入解析，揭示了单细胞原生动物与其共生细菌之间的复杂相互作用。该研究首次观察到七种不同的细菌共生模式，并揭示宿主消化作用对内共生体多样性的影响，以及内共生菌真核生物样蛋白在对抗宿主消化和扩展宿主范围中的作用。该研究为探索生命进化早期真核—原核内共生系统的建立过程提供了独特视角。
研究团队收集了来自淡水、海水和淤泥多种生境下的纤毛虫样本，涵盖了纤毛虫门中12个纲的81个属246个样本。该研究采用了单细胞宏基因组测序方法，能够精确识别和分类与纤毛虫共生的细菌和古菌，包括那些难以通过传统方法培养的微生物，是迄今为止最大的原生动物原核共生体样本和数据集。该研究报道了883种能够与纤毛虫共存的细菌，并组装了122种全新的细菌基因组和7种古菌基因组。其中，最常见的共生体来自Pseudomonas, Acinetobacter, Legionella, Acidovorax, Cutibacterium, Corynebacterium, Flavobacterium和Pedobacter，提示它们可能对真核生物具有广泛的侵染能力。
研究团队进一步探究了影响共生系统建立的因素，发现宿主的消化能力与共生体多样性呈显著负相关，而共生体中表达的真核类似蛋白可能干扰真核宿主吞噬体的成熟，阻止宿主对其清除。通过系统发育和功能基因注释分析，研究揭示了与共生体宿主广泛性相关的基因富集在抑制宿主消化能力的通路中，而与其在宿主中的丰度相关的基因富集在能量利用的相关通路中。该发现提示内共生系统建立过程中可能存在两个不同阶段，为理解宿主与共生细菌之间的相互作用提供了新的视角。最后，研究团队还对纤毛虫中的古菌共生体进行了探究，发现古菌共生体仅在厌氧纤毛虫被发现，其中Stenosarchaea的多样性和丰度最高，其次是Methanomada和DPANN。
该研究不仅增进了我们对真核-原核共生系统演化和功能的理解，而且为微生物生态学、生物多样性保护等领域的研究提供了新思路。通过揭示纤毛虫与其共生细菌之间的相互作用和依赖关系，研究强调了内共生在物种多样性和复杂性演化中的作用。特别是，新发现的细菌和古菌共生体及其与宿主之间的相互作用，为探索生命早期的内共生事件及其对生物多样性的贡献提供了新线索。
中国科学院北京生命科学研究院博士后张冰和肖力文为论文的并列第一作者，赵方庆研究员和苗苗教授为通讯作者。该研究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。
基于单细胞宏基因组技术解析纤毛虫内共生系统多样性
论文链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01809-w
