光合作用可不是植物的专属技能,这种小可爱也可以

作者: Douglas Main

来源: 果壳网我是科学家iScientist

发布日期: 2018-09-18

绿叶海天牛是一种能够进行光合作用的海蛞蝓,它们通过偷取藻类的叶绿体来实现这一过程,并能将藻类的基因转移到自身基因组中。这种能力具有广泛的研究前景,但也面临着诸多挑战,如获取和培育困难。

如果要评选世界奇葩生物,海蛞蝓绝对榜上有名。这类软体动物是雌雄同体,不仅能攻能受,还可以群体交配。它们也是偷窃大师,有的能用食物中的色素给皮肤换色,有的还会存储猎物的细胞。外表软萌可爱的海蛞蝓,下一秒就要互相爆头?它们当中,还有号称动物界终极死宅的绿叶海天牛(Elysia chlorotica)。

这种海蛞蝓只有不到5厘米长,却能在长达9个月甚至更长的时间里不吃东西,只依靠皮肤里的叶绿体进行光合作用来维持生命。动物哪里来的叶绿体?而且这些叶绿体居然还有用?其实答案很简单,叶绿体是它们在啃食藻类时偷来的。一般来说,叶绿体被动物吞食后,会被动物的肠胃破坏掉,或者遭到免疫系统的攻击。但绿叶海天牛不仅能利用叶绿体进行光合作用,而且还不会受到它们的伤害——大部分动物不能承受叶绿体光合作用产生的游离氧。

其实,除了绿叶海天牛,还有其他一些种类的海蛞蝓能够夺取藻类的叶绿体,用其捕获某些射线等。不过它们需要不断地更新叶绿体,这是因为叶绿体的正常工作要消耗各种蛋白质,而生产这些蛋白质的相关基因只存在于藻类的核基因中,被偷走的叶绿体是无法自产自足的。虽然叶绿体内部也有DNA,但生产的蛋白质并不能自给自足。

换句话说,要维持叶绿体的话,动物必须利用藻类基因或者藻类基因表达的产物,但绿叶海天牛似乎不用担心这一点。有研究表明,它们通过进食,能将藻类的基因转移至自身的基因组。这是一种惊人的生化本领,我们或许可以利用类似的方法来操控人类或其他动物的基因。不过也有研究者对此提出质疑,他们发现,绿叶海天牛的卵和幼虫体内就已经存在藻类基因,这意味着这些基因可能是与生俱来的。叶绿体的维持机制也许不仅仅和藻类基因有关。

最近发表于《分子生物学和演化》的研究发现,绿叶海天牛自身的免疫系统也在这个过程中起到了关键的作用。当绿叶海天牛获得叶绿体时,一些基因表达产物会抑制它的免疫系统,同时,氧化应激机制相关基因的活性也增加了。研究者还指出,珊瑚及其共生光合藻类之间也有同样的互动机制。能够维持叶绿体,还不会受到外源基因的损害,绿叶海天牛的这种能力具有广泛的研究前景,进一步的研究有望应用于免疫学和基因治疗等领域。

然而,研究面临的阻碍也很多,比如绿叶海天牛会分泌大量黏液,增加DNA和分子分析的复杂程度。此外,为数不多的研究者中的大部分都已退休,还有人换了别的研究方向。另外,如何获得更多绿叶海天牛也是个问题。目前,科学家们只在美国东海岸和加拿大的新斯科舍省发现了绿叶海天牛。尽管不同的研究团队尝试了很多次,但仍然难以收集到野外物种。在实验室里培育它们也相当困难。

成年的绿叶海天牛需要仔细照顾和喂养,它们通常都活不过一年。虽然从卵孵化的幼虫会自由游动,啃食不同的藻类,但是当它们发育为成虫时,就只独爱滨海无隔藻(Vaucheria litorea),两者在此时会形成一种共生关系。问题在于滨海无隔藻长得太慢了,也很难培养,藻类的生长速度常常赶不上绿叶海天牛的进食速度。不过也有好消息,已经有部分科学家在实验室培育出了很多代绿叶海天牛。

但是要进一步开展研究的话,它们的稀缺性仍然是一大问题,人们急需找到培养大量绿叶海天牛的方法。

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