一种生活在另一个生物内部的生物体是内共生的概念，这在生物学中是一个显著的现象。这种关系对双方生物体都有可能是互利的。例如，我们的细胞中有这种伙伴关系的遗迹：线粒体，它对能量生产至关重要，起源于一个历史性的内共生事件，在这次事件中，古代细菌整合入了细胞。这种整合成为了线粒体和不同生物形式（如植物、动物和真菌）中细胞发展的基础。
然而，这种内共生生活方式是如何开始的仍不清楚。当细菌无意中进入另一个宿主细胞时，它面临挑战。它必须生存、繁殖并传递其遗传物质；否则，它就面临灭绝的风险。此外，它还必须避免耗尽宿主的资源或繁殖得太快，因为管理不善的关系可能导致它的结束。
为了研究这种独特关系的起源，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）由朱莉亚·沃尔霍特（Julia Vorholt）领导的一组研究人员进行了实验，以在受控的实验室环境中创建这些伙伴关系。他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上。
创建一种共居
首先，沃尔霍特实验室的博士生加布里埃尔·吉格（Gabriel Giger）设计了一种技术，可以在不损害真菌Rhizopus microsporus细胞的情况下将细菌注入这些细胞。他与E. coli和Mycetohabitans细菌合作，后者通常作为另一种Rhizopus物种的天然内共生体。然而，他们使用了一种在自然界中通常不形成内共生的菌株，吉格随后在显微镜下观察了它们的相互作用。
在注射了E. coli细菌后，细菌和真菌继续生长。最终，细菌以如此快的速度繁殖，以至于真菌激活了其免疫反应，将细菌包裹起来以防止它们传递到后代。
孢子中的细菌
相比之下，注射的Mycetohabitans细菌能够在真菌产生孢子时侵入孢子，从而使细菌能够传递到下一代。“发现细菌实际上被传递到真菌孢子中是我们研究的一个重要里程碑，”吉格说道。
在对含有这些细菌的孢子进行发芽时，吉格观察到发芽率较低，且幼小的真菌生长速度比没有细菌的真菌慢。“最初，这种内共生关系降低了真菌的整体适应性，”他指出。他随后将实验延续了多个真菌世代，选择性地挑选那些在其孢子中携带细菌的真菌。这一选择过程使宿主能够适应并产生更多含有细菌的可行孢子。基因分析显示，真菌在其细菌居民的影响下进化。
此外，研究还表明，宿主及其居民细菌共同作用产生生物活性化合物，可以通过帮助宿主吸收营养和防御掠食者（如线虫或阿米巴）来使宿主受益。“最初看似劣势的东西最终可能变成优势，”沃尔霍特指出。
脆弱的生态系统
研究结果表明，内共生伙伴关系早期阶段是多么脆弱。“宿主适应性最初的下降可能导致这种系统在自然界中迅速失败，”吉格解释道。“内共生关系要出现并繁荣，就必须有它们共存的明显优势，”沃尔霍特补充道。这种优势通常与居民细菌具备支持内共生生活方式的特征有关。对于宿主生物来说，整合另一个生物体提供了一种快速获得新能力的途径，这可能需要一些调整。“在进化过程中，我们看到成功的内共生关系是怎样发展的，”这位ETH教授总结道。
