全球宏基因组揭示质体多样性与未被探索的藻类谱系

地球产氧的隐秘引擎

你每一次呼吸都在默默地依赖细胞内那些微小的绿色机器。这些被称为质体的结构驱动植物和藻类的光合作用，帮助向大气释放氧气并合成供食物网使用的糖。本研究利用从海洋、湖泊、土壤及全球其他栖息地采集的DNA，揭示了令人惊讶的质体与实验室中未见过的藻类多样性，从而重塑了我们关于光合作用如何在地球生命中传播的认识。

细胞如何借来阳光的能量

质体起源于被更大细胞吞噬的自由生活细菌，时间超过十亿年。部分被吞入的细菌并未被消化，而是成为永久的共生伙伴，将阳光、水和二氧化碳转化为宿主可用的能量。这样的首次合作称为原始内共生，造就了今天植物及许多藻类祖先的质体。随后，显微世界的其他捕食者又吞噬了这些已具光能的藻类，产生了“次级”质体，嵌入到另一层细胞之内。随着时间推移，这种细胞内细胞的嵌套产生了令人眼花缭乱的光合生物多样性，主导着陆地与海洋生态。

像读一本全球DNA之书那样解读地球微生物

直到现在，科学家对质体的认识主要来自能在实验室培养的物种，自然界的大部分仍未被绘入图谱。本研究转向全球宏基因组学——对环境样本中所有DNA进行测序——以直接从自然中发现质体基因组。研究团队扫描了超过25,000个宏基因组并谨慎地拼接片段，重建出1,027个质体序列，其中包括300个在现有数据库中没有近缘匹配的序列。这些“宏基因组组装的基因组”保留了足够的基因信息，可以将质体置于进化树上并推断其未见藻类宿主的生活方式。

重构质体的家族树

研究者利用数百个在质体及其细菌近缘中共享的基因，精细化了质体在生命树中的位置。他们证实，植物和大多数藻类中的质体可追溯到一个与现代Gloeomargaritales密切相关的古老蓝藻类群，而变形虫Paulinella的质体代表了来自另一个蓝藻分支的独立且较近起源。新数据大幅扩展了许多主要藻类群体中已知的质体多样性，尤其是硅藻及其他褐色藻类（Ochrophyta）、绿藻（Chlorophyta）以及如隐鞭藻和顶藻等较少研究的谱系。若干质体基因组簇似乎属于完全未被描述的藻类，暗示在海洋、湖泊甚至深部地下环境中存在大量尚未认识的光合生命。

重新思考红藻如何传播其质体

生物学中最具争议的问题之一是，来自红藻的质体如何传播到统称为CASH谱系（隐鞭藻、原复合体、丝状藻和顶藻）的多样浮游生物组。早期模型提出红藻质体一次性交接，随后出现多次丢失与重组。本研究通过比较这些群体间的质体基因组，反而发现了至少两次独立事件的强有力信号，表示红藻质体被分别获取并通过进一步的细胞内嵌套事件传递下去。作者还报告了来自北极水域的新发现质体谱系，其在隐鞭藻与顶藻之间分支，与一个神秘的群体——细柄藻（leptophytes）相吻合。该谱系可能代表一个缺失环节，有助于解释红藻质体如何最初进入这些重要的海洋藻类。

这对生命与气候意味着什么

表面上看，质体似乎只是晦涩微生物体内的专门结构，但它们实际上是地球气候与食物供应中的核心角色。通过揭示质体家族树的新分支并提供红藻质体起源多次发生的证据，这项工作表明光合作用在细胞间紧密合作的过程中被多次重新发明与重新分配。从环境中发现的众多新质体基因组表明，仍有大量未知藻类在为全球氧气生成和碳捕获做出贡献。随着研究者继续从更多地点与深度挖掘宏基因组数据，我们对谁在承担地球的光合作用任务以及这些能力如何演化的理解将变得更加清晰，从而改进对地球过去与未来生态系统的模型。

引用: Shrestha, B., Romero, M.F., Villada, J.C. et al. Global metagenomics reveals plastid diversity and unexplored algal lineages. Nat Commun 17, 2194 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68871-w

关键词: 质体, 藻类演化, 宏基因组学, 内共生, 光合作用