雖不滿意,但還可以接受的共生關係?

斑點鈍口螈

撰文|葉綠舒

原生於北美東部區域與加拿大的斑點鈍口螈(Ambystoma maculatum)是俄亥俄州與南卡羅萊納州的州兩棲動物。除了黑黑的身體、菊黃色的點點比較特別以外,左看、右看,就只是隻蠑螈,有什麼特別的?

有喔!斑點鈍口螈與一般蠑螈不一樣的點在於:牠是唯一會在自己的生活史中與藻類共生的蠑螈,也是唯一有這個現象的脊椎動物喔!在1888年首先由奧爾(H. Orr)觀察到胚胎中有綠藻,雖然當時不清楚綠藻與蠑螈之間的關係,但是奧爾還是寫下了「我尚未發現藻類是如何進入細胞的,也沒有發現它們對胚胎呼吸有什麼生理影響,但它們很可能對後者有重要的影響」的結論。在1910年藍伯特(F.D. Lambert)將胚胎內的單細胞綠藻命名為Oophila amblystomatis。Oophila 是「喜愛卵的」(字首oo-是卵,字尾-phila是喜愛、親近),amblystoma是斑點鈍口螈的屬名。到了1942年,吉爾伯特(P.W.Gilbert)觀察後發現,綠藻主要分佈於卵的中膜(middle envelope),但內膜與外膜也都可以觀察到[1]

過去的觀察認為綠藻與蠑螈之間存在著共生關係:蠑螈胚胎提供代謝廢物(二氧化碳與含氮廢物等)給綠藻進行光合作用所需的碳源與代謝所需的氮源;而綠藻進行光合作用所產生的醣類與氧氣則成為蠑螈胚胎生長發育所需的養分。吉爾伯特的觀察也發現:一樣有綠藻在內的胚胎,照光的胚胎比不照光的大約早一週孵化,顯示綠藻與蠑螈的共存至少對蠑螈可能是有益的。

但是這樣的關係對綠藻是否有益呢?而對蠑螈是否真的也有好處?為了深入了解究竟牠們之間是否是真的「和樂融融」,美國的一群科學家將蠑螈與綠藻細胞的信息RNA(messenger RNA,mRNA)抽取出來進行定序與個別的定量分析,以了解究竟綠藻與蠑螈之間的關係是否真的「如膠似漆」呢[2]

為什麼分析mRNA的種類與含量分析,可以了解綠藻與蠑螈之間的關係是否融洽呢?當細胞要將自己的基因表現(也就是讓基因發揮應有的功能)出來時,通常會先透過轉錄(transcription)產生mRNA之後,再將mRNA轉譯(translation)為蛋白質。所以只要看看目前細胞內含有的mRNA的組成、以及這些mRNA量的多少,就可以了解生物目前基因表現的狀態;當然也就知道,目前這個生物究竟是有沒有感受到環境壓力等等。

當然,能夠進行這樣的分析,也是靠著過去許多的研究以及基因體計畫所累積的成果。若沒有過去汗牛充棟的研究,我們無法在鑑定出基因後就能得知它的功能;若沒有基因體計畫,也無法這麼快速地了解個別基因的功能。

分析的結果發現,為了要讓綠藻可以生活在體內,蠑螈抑制了自己的先天免疫反應(innate immune response):如NF-κB轉錄因子相關的基因表現便受到抑制—蠑螈的基因體中總共有295個與NF-κB轉錄因子相關的下游基因,但只有五個表現量高於沒有綠藻共存的蠑螈胚胎細胞。另一個與先天免疫反應相關的基因,TLR (toll-like receptor,類鐸受體、鐸樣受體)及其相關基因,在有無綠藻共存的蠑螈胚胎細胞間,在表現量上也沒有明顯的不同(151個基因只有一個表現量明顯較高)。

整體來說,有綠藻共存的蠑螈胚胎與沒有綠藻共存的蠑螈胚胎相對照,基因的表現只有0.64%不同。這個結果類似於珊瑚蟲與共生雙鞭藻(dinoflagellate)之間的關係。

那麼綠藻又如何呢?令人大感意外的是,在蠑螈體內的綠藻,有4.12%的基因表現改變。其中包括許多與壓力反應相關的基因:如熱休克蛋白(HSP,heat-shock protein)、自體吞噬基因(autophagy),另外光合作用也受到抑制。雖然綠藻得到了蠑螈胚胎的磷酸根與穀胺酸,但硫酸根運輸蛋白(SUTR)的高量表現也顯示了綠藻出現了硫飢餓的狀態。除此之外,綠藻的氧化代謝反應也受到抑制,轉為對發酵作用較依賴的狀態。若與培養在營養充足的培養基中的綠藻相比,在蠑螈胚胎內的綠藻,基因表現出現改變的比例高達40%!也就是說,這一場蠑螈與綠藻的雙人探戈,顯然前者比後者要開心得多了!

如果搬到蠑螈胚胎細胞後的處境變得這麼糟糕,為什麼綠藻還要搬到蠑螈家裡去呢?吉爾伯特在1942年時就發現,在野外要找到沒有綠藻的蠑螈卵非常困難。是否綠藻需要蠑螈幫它傳宗接代呢?雖然最近的研究在蠑螈的沃爾夫管(Wolffian duct)與輸卵管中都存在著綠藻的18S rDNA,而以穿透式電子顯微鏡觀察剛產出的卵,也可以看到綠藻的孢囊;但究竟綠藻是否真的在蠑螈體內以代代相傳的形式永久存續下去,截至目前為止還是無法證實。所以到底牠倆是怎樣的關係?是否綠藻只存在於蠑螈體內?這都有賴於更多後續的研究來協助我們了解了!

 

註解:

[1] P. W. Gilbert. 1942. OBSERVATIONS ON THE EGGS OF AMBYSTOMA MACULATUM WITH ESPECIAL REFERENCE TO THE GREEN ALGAE FOUND WITHIN THE EGG ENVELOPES. Ecology. 23(2):215-227.

[2] Burns etl al. eLife 2017;6:e22054. DOI: 10.7554/eLife.22054

 

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