再生蠕虫对其藻类伙伴具有遗传控制

斯坦福大学的研究人员发现了一种促进海洋蠕虫无腔涡虫及其共生藻类之间跨物种交流的遗传途径。

许多生物远比单一物种复杂得多。例如，人类体内充满了各种微生物。不过，有些生物甚至有更特殊的联系。无腔蠕虫是一种独特的海洋蠕虫，在受伤后可以再生，它们可以与生活在体内的光合藻类形成共生关系。

这些共生生物的集合被称为全生物，科学家们正在试图了解它们之间“交谈”的方式——尤其是当所讨论的物种是动物和太阳能微生物时。

斯坦福大学工程学院和医学院生物工程学助理教授王波已经开始寻找一些答案。他的实验室与旧金山大学合作，研究了Convolutrilobalongifissura，这是一种寄生于共生藻类Tetraselmis的无体腔藻类。根据发表在《自然通讯》上的新研究，研究人员发现，当C.longifissura再生时，参与无体腔藻类再生的遗传因子也会控制其中藻类的反应。

“我们还不知道这些物种如何相互交流，也不知道信使是什么。但这表明它们的基因网络是相连的，”论文的资深作者王说。

分裂蠕虫

由于全生物是一个相对较新的概念，科学家仍不确定某些关系的性质。奇怪的名称“无体腔”在希腊语中意为“无腔”，因为蠕虫的内部器官和外部器官(称为体腔)之间没有分隔。在这些动物中，它们的所有器官都共享同一空间。一些无体腔动物还与共生藻类共享动物器官的空间，并在动物体内进行光合作用。这种关系为藻类提供了一个安全区，并为无体腔动物提供了光合作用的额外能量。

旧金山大学研究员、论文共同资深作者詹姆斯·赛克斯(JamesSikes)表示：“无法保证它们之间存在交流，因为藻类并不在无腔涡虫细胞内，而是漂浮在细胞周围。”赛克斯研究无腔涡虫已有大约20年，它们的共生关系使它们有别于其他具有再生能力的动物，如涡虫和蝾螈。

当这些无体腔动物进行无性繁殖时，它们首先会将自己一分为二。头部区域会长出尾巴，成为一个新的无体腔动物。然而，尾巴就像神话中的九头蛇一样，会长出两个新头，然后分裂成两只独立的动物。

动物再生需要多种不同细胞类型之间的交流，但在这种情况下，它可能还涉及另一个完全不同的生物。研究人员很好奇，里面的藻类群落对这个过程有何反应——特别是，它们是否继续像往常一样进行光合作用，如果不是，是什么在控制着它?这尤其令人费解，因为研究小组发现，光合作用并不是无腔藻再生的必要条件——它们可以在黑暗中进行。但为了长期生存，物种之间必须进行交流。

“测试光合作用是否受到影响是一次冒险。我们都不知道自己在做什么，”论文的第一作者、王实验室的博士生兼斯坦福Bio-XBowes研究员DaniaNanesSarfati说。“最令人兴奋的事情之一是，我们可以实际测量动物体内发生的藻类光合作用。”

此外，通过测序，研究小组能够区分这两个物种的基因，并找出哪些途径对损伤作出反应。这些测量帮助他们意识到，在再生过程中，藻类内部的光合机制正在经历重大重建——但其控制过程令人震惊。

矮子的作用

当结果出来时，王说发生了意想不到的事情。在再生过程中，无腔藻的再生和藻类的光合作用似乎都受到无腔藻中一种名为runt的常见转录因子的控制。

在早期阶段，即受伤后，runt被激活，启动再生过程。与此同时，藻类的光合作用下降，但与光合作用相关的藻类基因出现上调——很可能是为了补偿分裂造成的光合作用的损失。然而，当研究人员敲除runt时，再生和藻类反应都停止了。

runt的特别之处在于它高度保守，这意味着相同的因子负责许多不同生物的再生，包括非共生无腔涡虫。但现在很清楚，它不仅控制无腔涡虫的再生过程，还控制与其他物种的交流。

全生物如何交流

了解共生关系中的伙伴如何在分子水平上进行交流为该研究领域提出了许多新问题。“共生有规则吗?它们存在吗?”NanesSarfati说。“这项研究引发了这些问题，我们可以将它们与其他生物联系起来。”

王认为，这为研究共生物种如何相互作用和结合形成全生物提供了更多方法。其中一些相互作用可能是由化学物质、蛋白质或环境因素驱动的。但更令人担忧的是，这些相互作用现在正成为气候变化挑战下的脆弱点，导致共生伙伴分离。赛克斯强调，他、王和纳内斯·萨法蒂都是从共生关系的动物方面开始的，但他们意识到藻类也会对宿主的伤害做出反应，这可能会在其他系统中引发类似的问题。

“我们经常以为自己知道很多，但当我们看到不同的物种时，我们会感到谦卑，”王说。“它们可以以完全意想不到的方式做事，这凸显了研究更多生物的必要性，而技术的发展也让这一切成为可能。”