硅藻在銨的作用下變為有性生殖

新研究顯示一種單細胞藻類——硅藻雖然曾經被認為是無性生殖，但其實是能通過有性生殖繁衍後代的。科學家了解到一種常見的化合物——銨使得這種無所不在的生物體充滿興緻。

這一發現已發表在7月7日的PLOS One上，有助於更好地理解性行為的演變，並同樣蘊含重要的生物技術。

通訊作者俄勒岡州立大學微生物學家Kimberly Halsey說道：「我們的發現解決了長期困擾硅藻研究者的兩個謎題。是的，他們的確會性交，是的，我們可以使他們性交。」

credit: 煎蛋畫師BC

硅藻作為一種生物能來源極具潛力，也可用於生物感測。此外，他們複雜的二氧化硅細胞壁為材料化學家和給葯研究者提供了有希望的納米技術應用。

世界上總共存在20多萬種硅藻，幾乎在任何有水的地方這種生物體都很豐富，在春秋形成巨大的水華，幫助驅動海洋碳循環。

Halsey說道：「硅藻令人驚異：他們的二氧化硅細胞壁美妙精緻。由於我們能控制他們的性途徑，這就打開了具有不同特性的不同硅藻之間雜交的可能。我們應該可以像玉米或者水稻或者草莓那樣繁殖他們，選擇想要的特質。」

Halsey和植物學合作者們以及來自俄亥俄州立大學科學與農業科學學院的統計學家一起研究了「輻射」偽矮海鏈藻這種模型生物體，這是兩種硅藻之一，另一種是三角褐指藻這種羽紋綱硅藻。

輻射硅藻是放射對稱的，可以將其形狀想像為罐頭，羽紋硅藻是左右對稱的，瘦長形，類似於豌豆莢。

Halsey說道：「每個人都說偽矮海鏈藻是無性生殖的，因為他們從未見過其他的。一般的想法是這種硅藻失去了有性繁殖這種能力或者需求。」

Halsey強調道，其他科學家已證實偽矮海鏈藻保留有減數分裂所需的基因，而減數分裂一種針對有性繁殖的基因複製方式，由此總結認為硅藻並沒有使用這些基因。

「但我們開始發現細胞結構上非常不同的形態學變化，在這一研究中與性活動相關聯。我們也觀察到涉及鞭毛結構和組裝的基因的表達，這隻可能發生於精子細胞中。」

研究第一作者、研究生Eric Moore震驚於了解到「這些單細胞生物體也可分為雄性和雌性細胞，完全改變自身的形態。」

其他研究者先前研究不同類型輻射硅藻的工作表明，生長壓力——光線的中斷、鹽度的變化、營養素的轉移某些時候可能但並非可靠地導致細胞變成有性的。

Halsey說道：「誘導輻射硅藻變為有性的實驗室嘗試多種多樣，從甜言蜜語到酷刑折磨。」

但Halsey的團隊進行的手動顯微分析發現，銨這種常見於動物代謝廢物的化合物能夠可靠地導致兩株偽矮海鏈藻和兩株其他輻射硅藻改變自身細胞結構，生成卵細胞和精子。當其他細胞生長因子——光線、磷或者二氧化硅等至少一種短缺時，銨可以使得硅藻準備進行有性繁殖。

另外，RNA測序表明當硅藻的慾火被銨點燃時，1200多種硅藻基因的活性變化了。Halsey認為在自然界中，吃硅藻水華的原生生物會排泄出銨，觸發硅藻的性別化。

她說道：「使硅藻具有性別的明確環境因素集合尚不清楚。但將銨鑒定為一種性別誘導劑可能打開了新的繁衍和控制重要特質的基因修改研究之路。」

論文原文：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0181098

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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