研究人员发现新的多细胞细菌物种

根据今天发表在eLife上的一项研究，日本的研究人员已经确定了一种具有独特多细胞特征的新细菌，可以深入了解多细胞性是如何产生的。

这种细菌HS-3是从被地下河间歇性淹没的石灰岩洞穴壁中分离出来的。HS-3有两个不同的生命阶段;在固体表面上，它自组织成具有液晶特性的层状菌落。成熟后，HS-3菌落形成一个半封闭的球体，其中包含“子”球杆菌(短棒状)细胞簇，这些细胞在与水接触时会释放出来。

“多细胞性的出现是地球上最大的生命之谜之一，”通讯作者、日本东京国立技术学院(KOSEN)教授KouheiMizuno说。“关键是我们已经知道多细胞的优越功能和适应性，但我们对它的起源几乎一无所知。既定的功能和适应性不一定是它们自身的形成驱动力。对多细胞的好奇是“利益”之间的冲突“个体的利益与进化转变早期必然存在的‘群体的利益’。除了理论模型外，我们没有一个好的现有模型来研究多细胞性。”

一个这样的模型是“生态支架”，它提出环境因素为不断发展的种群提供选择压力，这表明达尔文的自然选择甚至适用于单细胞生物。

Mizuno和他的实验室学生Ohta于2008年首次发现HS-3，当时他们从日本九州岛北部石灰岩洞穴壁上的滴水中分离出它。他们最初是在寻找积聚脂质的细菌，但是，在丢弃之前检查旧的细菌琼脂平板时，太田注意到了一个颜色和质地异常美丽的小菌落。琼脂上的大多数细菌由于其无序的结构而呈现出不透明的质地，但这个菌落看起来是透明的，带有彩虹色。与密切相关物种的表型比较证实了该菌落是一种新物种，HS-3，该团队将其命名为Jeongeupiasacculi(意为“摇篮”)。

该团队使用显微镜来分析菌落生长。细胞开始简单地以球杆菌的形式繁殖，但细胞伸长的发生导致菌落形成单层结构，取向像液晶。隆起特别在菌落边缘形成，缓解内部压力并赋予HS-3长时间维持这种二维液体排列的独特能力，这可能是HS-3建立多细胞行为的先决条件。

然后，殖民地然后扩大以形成额外的层。内部丝状细胞弯曲，产生涡旋结构域。这些域和类似液晶的排列解释了在琼脂上的HS-3菌落中观察到的透明度。两天后，细胞内部迅速繁殖，菌落开始三维膨胀，形成一个容纳球杆菌细胞的半封闭球体。第五天后，内部细胞被挤出集落，在相邻的集落中引发了这一事件的连锁反应，从而表明了一些多细胞控制。

由于HS-3的洞穴壁采样点经常受到洞穴内流水的影响，研究小组将成熟的半球形菌落浸没在水中。内部的球杆菌被释放到水中，留下丝状细胞结构。通过将这些子细胞铺在新鲜琼脂上，他们发现这些细胞能够复制原始的丝状结构，这表明HS-3生命周期的两个不同阶段是可逆的，并且可能是由于洞穴内条件的变化而产生的.

“我们需要10年的时间来确定这不是两种不同物种的污染，也不仅仅是一种突变，”Mizuno说。“首先，我们通过一系列显微观察来拍摄从单个细胞到菌落的整个过程，为此我们开发了自己的方法。然后，我们发现细胞和菌落的形态变化都是可控的和可逆的。那些数据使我们相信它是HS-3的‘多细胞’。”

“HS-3生命周期的第一阶段表明，类似液晶的组织参与了多细胞的出现，这在以前没有报道过。第二生命阶段的存在暗示了动态水环境参与了多细胞的出现。HS-3的多细胞性，”共同通讯作者、日本筑波大学生物医学科学部教授KazuyaMorikawa说。

“我们对HS-3所包含的各种奇怪特性感到惊讶，其中之一是这个新物种的多细胞行为与最近提出的‘生态支架’假设非常吻合。我们现在认为向多细胞的飞跃将是比我们迄今为止想象的更精细和美丽的过程，”Mizuno和Morikawa评论道。