科学家揭秘水下生物的共生关系

【编者按】每天晚上，夜行的夏威夷短尾乌贼（Euprymna scolopes）都会从它们在太平洋浅水区的洞穴里出来捕虾。这种高尔夫球大小的软体头足纲动物在其捕食者（如海豹、鳗鱼和鱼）面前没有太多保护措施，所以它们需要依靠另一种生物——费氏弧菌（Vibrio fischeri）。

图丨夏威夷短尾乌贼

“它基本就像是短尾乌贼的小隐形衣，”佛罗里达大学空间生命科学实验室的微生物学家 Jamie Foster 说。费氏弧菌生活在乌贼墨囊内的一个器官中，能够配合月光的亮度，在夜间发出光芒。作为保护自己不被捕食者发现的回报，短尾乌贼为细菌提供糖分，同时利用糖将它们引诱到特定器官。

这一互惠关系已经进化了数百万年，只是多细胞动物和微生物共同工作以增加生存几率的众多例子之一。不过，科学家们对这种关系如何进化、是什么使动物进化出专门引诱共生生物的器官等问题仍所知甚少。

如今，Foster 和一支国际研究者团队绘制了夏威夷短尾乌贼的基因组图谱，为探索这一系列问题提供了新工具。通过剖析短尾乌贼的基因组，研究团队发现了它们的发光器官与另一个支持繁殖的共生器官完全不同的进化路径。这篇发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的文章为包括人类在内的动物-微生物相互作用领域奠定基础。

图丨佛罗里达大学的微生物学家 Jamie Foster 研究短尾乌贼的免疫反应以深入了解人类的免疫系

这项工作同时标志着首个乌贼目动物基因组的完成——同时在 2015 年章鱼基因组图谱发表后第二个完成的头足纲动物。“拥有其基因组将是研究共生关系的巨大资源，”来自芝加哥大学、参与过章鱼基因图谱绘制的学者 Cliff Ragsdale 说。

鉴于短尾乌贼的触须、变色的皮肤和其他新奇的生物特性，它们似乎不是帮助研究人类或其他动物共生关系的显而易见的候选者。但是科学家们已经把这个物种作为一种共生模式生物研究了 30 多年。“我们有着许多相同的基因和基因通路，所以我们能够通过这些共生模式系统发现到许多可能与我们健康相关的信息，”Foster 说。例如，人类和乌贼有着同样的免疫系统组成。实际上，因为我们的免疫系统之间的相似性，Foster 将乌贼送上太空，用来研究人类在宇宙飞行产生的免疫应答。

除此之外，短尾乌贼还有着对共生研究来说得天独厚的特性。短尾乌贼的发光器官并不像人类肠道和自然界中大多数其他共生器官那样，与一群细菌结成伙伴关系，而是与费氏弧菌形成严格的“一夫一妻制”关系。短尾乌贼的免疫系统只识别并在发光器官内培育这一种细菌，避开所有其他追求者。“因为我们的研究中只有一个宿主和一个共生体，所以我们更容易梳理状况。”康狄涅格大学的共生关系学专家 Spencer Nyholm 说。

图丨夏威夷短尾乌贼（Euprymna scolopes）有着美丽的透明身体，并且发光器官内只有一种共生细菌，使它成为共生研究的理想生物。乌贼外套膜中的暗处即为其墨囊与发光器官的位置标记（来源：quantamagazine）