撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
眾所周知，空氣中78%是氮氣（N 2 ），植物的生長必需依賴氮元素，但植物並不能直接利用空氣中的氮氣，土壤中可被植物利用的氮絕大多數來自於固氮菌（固氮細菌和古菌）的生物固氮， 直到1909年，弗裡茨·哈伯發明了合成氨技術，實現了人工固氮，幫助人類解決了化肥生產和糧食安全的重大問題。
2024年4月11月，加州大學聖克魯茲分校、加州大學舊金山分校等機構的研究人員合作，在國際頂尖學術期刊Science上發表了題為： Nitrogen-fixing organelle in a marine alga 的研究論文，該論文還被選為當期封面論文。
教科書告訴我們，生物固氮只發生於細菌和古菌中，而這項研究發現了第一種固氮真核生物，其透過一種名為Nitroplast的新型細胞器來固定氮氣 （N 2 ） 。
這一發現意義重大，有助於促進對植物的基因工程改造，設計出能夠自行固氮的作物，從而提高作物產量，減少對化肥的需求。此外，該研究也為從內共生體到真正細胞器的轉變提供了一個新視角。
2012年，Jonathan P. Zehr團隊發現貝氏布拉藻（Braarudosphaera bigelowii） 與一種名為UCYN-A的細菌密切互動，這種細菌似乎生活在該藻類的細胞內或表面。他們認為，UCYN-A將氮氣轉化為藻類生長所需的氨，作為回報，藻類為其提供生長所需的碳源。
而在這項最新研究中，Jonathan P. Zehr團隊得出新結論——UCYN-A應該被歸類為藻類內部的細胞器，而不是一個獨立生命。大約1億年前，該細菌與藻類開始了共生關係，最終演變成了藻類細胞中的一個專門用來固氮的細胞器，研究團隊將其命名 為——Nitroplast。
研究團隊使用兩個關鍵標準來確定細菌是否已經成為宿主細胞中的細胞器。首先，該細菌的細胞結構必須透過宿主細胞代代相傳。其次，這種結構必須依賴於宿主細胞提供的蛋白質。
透過對數十個處於細胞分裂不同階段的貝氏布拉藻細胞進行成像，他們發現，在整個藻類細胞分裂之前，Nitroplast已經一分為二，透過這種方式，一個Nitroplast從親本細胞傳遞給它的後代，就像其它細胞器一樣。
接下來，研究團隊發現，Nitroplast從貝氏布拉藻細胞中獲得生長所需的蛋白質，Nitroplast佔據該藻類細胞體積的8%以上，Nitroplast缺乏光合作用和製造遺傳物質所需的關鍵蛋白質，必需依賴於藻類產生的許多蛋白質。
研究團隊表示，瞭解Nitroplast是如何與其宿主細胞相互作用的，可以幫助設計出能夠自行生物固氮的農作物，從而減少對氮肥的需求，並減少環境破壞。當然，將生物固氮能力引入植物中並非易事。
與細菌等原核生物相比，真核生物擁有複雜的細胞器，例如線粒體和葉綠體，內共生假說認為，真核生物中的線粒體和葉綠體是由細菌進化而來。生物固氮是一些原核生物的特有能力，而這項研究顯示， UCYN-A在漫長的進化過程中，與貝氏布拉藻之間超越了內共生，成為了其一種處於早期進化階段的細胞器。這為從內共生體到真正細胞器的轉變提供了一個新視角。
論文連結：
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1075
2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1222700
