内共生现象对生命的进化产生了深远的影响，它赋予生物新的生化能力，促进创新和多样化。然而，新内共生现象的诞生非常罕见，并且难以追溯其起源。近期，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）Julia A. Vorholt团队在研究两个生物之间这种特殊关系的开端中取得了重大突破，并在《Nature》上发表题为“Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi”的论文。他们通过微注射技术，将细菌移植到丝状真菌 Rhizopus microsporus?内，从而诱导出一种全新的人工内共生关系，这一发现为设计具有理想特征的合成内共生体开辟了新的机会，也为理解内共生进化的机制提供了新的见解。

文章标题：Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi

发表期刊：Nature

合作单位：瑞士苏黎世联邦理工学院

影响因子：50.5

百迈客生物为该研究提供了全基因组测序服务。

该研究将细菌 Mycetohabitans rhizoxinica?植入真菌?Rhizopus microsporus?中，发现这种细菌能够在真菌细胞中繁殖并垂直传递给后代。通过适应性实验室进化实验，研究人员发现这种人工诱导的内共生关系可以通过正向选择来提高其稳定性和适应性。进化后的真菌产生了与天然宿主相关的代谢产物，证明了通过人工诱导的内共生关系可以将代谢功能转移到新的宿主中。

1.FluidFM 技术实现细菌注射

使用 FluidFM 技术，在不破坏真菌小孢根霉（R. microsporus）细胞的情况下将细菌植入其中，通过该技术，单次注射可将1-30个细菌注入R. microsporus内，同时可通过实时成像观察人工诱导的内共生现象的命运。用GFP标记的M. rhizoxinica注射入EH型丝状真菌，细菌成功在丝状真菌内定殖并能垂直传递（遗传），表明通过注射方法可以重建自然内共生。

2.人工内共生关系的构建

将大肠杆菌（E. coli）注射入真菌，发现大肠杆菌虽然能在真菌细胞内生存，但但很快在局部形成高密度菌斑，引发宿主产生隔离性隔膜，最终未能进入孢子实现垂直传播，表明真菌能够识别未适应的细菌入侵者，并引发防御反应，将细菌物理地控制在分离的菌丝室中，使未感染菌丝能够正常生长。将GFP标记的M. rhizoxinica植入不能内共生的NH型真菌，产生了一种新型的内共生关系，结果发现M. rhizoxinica不仅能在其天然宿主EH中稳定生长和传播，在非宿主NH中也能够以低频率垂直传播到下一代孢子中。这表明通过FludiFM技术注射，可以建立新的内共生关系。

3.内共生的适应性进化

为进一步提高人工诱导的NH-根霉生菌内共生体系的遗传稳定性，进行多轮生长和筛选，以施加正向选择压力。随着进化过程的进行，携带细菌的孢子的萌发率逐渐提高，并且携带细菌的孢子的比例也显著增加，而真菌也在适应性进化过程中发生了基因突变，这些突变可能与内吞作用有关，这与共生关系的稳定性和适应性的提高相一致。需要注意的是，由于真菌基因组研究不足，且存在潜在的表观遗传效应，这些推测仍需进一步验证。在适应性进化后的共生关系中，M. rhizoxinica?能在新的宿主菌株 NH 中能够产生次级代谢产物 WF-1360F，而根霉菌株 NH 能够将 WF-1360F 转化为 rhizoxin。这表明，通过诱导内共生可以将新的代谢功能转移到宿主中。

该研究利用FluidFM技术建立了一种将细菌注入真菌细胞的新方法，并通过对人工诱导的NH-根霉生菌内共生体系进行长期适应性进化实验，显著提高了内共生关系的适应性和稳定性，同时让非宿主获得了内共生菌介导的代谢新能力。这不仅拓展了对真菌与细菌相互作用的理解，也为设计具有特定功能的内共生菌提供了理论基础。

参考文献：

Giger, Gabriel H., Ernst, Chantal., Richter, Ingrid., Gassler, Thomas., & Field, Christopher M.. (2024). Inducing novel endosymbioses by implanting bacteria in fungi. Nature.