A multifunctional organelle coordinates phagocytosis and chlorophagy in a marine eukaryote phytoplankton Scyphosphaera apsteinii

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-03-04 DOI:10.1111/nph.20388

Julie A. Koester, Oren Fox, Elizabeth Smith, Madison B. Cox, Alison R. Taylor

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一种多功能细胞器协调海洋真核浮游植物 Scyphosphaera apsteinii 的吞噬作用和噬氯作用

包括生物矿化球石藻和裸鞭毛虫在内的亲生微藻，占世界海洋微生物初级生产者常存量的30-50% （Liu et al., 2009）。作为混合营养体，鞭毛藻平均占少营养生态系统中细菌总数的40% （Unrein et al., 2014）。混合营养是由自养和吞噬碳获取相结合定义的功能性生理性状的集合(Raven等，2009；Flynn et al., 2019)与渗透作用不同，渗透作用是对溶解有机分子的吸收（Flynn et al., 2013）。混合浮游生物是海洋微生物群落碳流的重要驱动因素(Mitra et al., 2014, 2016；病房,以下，2016)，微浮游生物和纳米浮游生物对细菌和碳转移有重要贡献(Zubkov &amp；Tarran, 2008)。混合营养还考虑到生活史、表型和栖息地的灵活性，包括在低营养地区茁壮成长或在亚光条件和黑暗时期生存的能力(Brutemark；Graneli, 2011;Anderson et al., 2018；Wilken et al., 2020)。实验和模型研究表明，混合营养性状，包括增加的吞噬，可能在海洋变暖情景下更有利，例如，如果吞噬的代谢速率响应大于光合作用的代谢速率响应(Gonzalez et al., 2022；Lepori-Bui et al., 2022)。直接测试触媒细胞吞噬作用的研究主要是在活动代表上进行的（Anderson等人，2018），包括钙化亚纲钙化触媒的3种（de Vargas等人，2007），球石藻（Parke等人，2007）；亚当斯,1960;Houdan等，2006；Avrahami,Frada, 2020)。除了两个鞭毛外，活动性触觉细胞还具有一个特征性的触觉体，这是一个位于鞭毛之间的独特的微管附属物。在鞭毛驱动的进食流中，haptonema拦截小的猎物颗粒，并将它们沉积在细胞的后部，鞭毛和haptonmal根的对面，吞噬发生的地方(Parke &amp；亚当斯,1960;Kawachi et al., 1991；Kawachi,Inouye, 1995;Dölger等人，2017)。相比之下，有毒物种Prymnesium patelllifera似乎在用同样在后极形成的假足吞噬大型猎物之前，就会使其无法动弹或杀死它们（Tillmann, 1998）。此外，根据化石记录（Gibbs et al., 2020），根据围绕鞭毛和附着体的规则形状开口的连锁球石排列，已经描述了推定的有鞭毛和混合营养异球石的物种。Syracophaerales和一些Zygodiscales（如Helicosphaera spp.）的现存成员具有类似的异杂杂体排列，在单倍体和二倍体时期都有鞭毛，并且具有沿季节和环境梯度分布的生态活性(Šupraha et al., 2016；D'Amario et al., 2017)。粒石藻的单倍体繁殖生活史将可运动的全粒石藻单倍体和非可运动的异粒石藻二倍体联系起来(Houdan et al., 2004；Young等人，2005)，这表明混合营养很可能在触觉细胞中广泛存在。然而，在没有鞭毛、附着体和非重叠的全球石来实现吞噬的情况下，被包裹在互锁异球石中的非运动二倍体被认为通过吸收物种特异性的溶解有机氮和磷源来限制其异养营养的渗透。Passow, 2010;Godrijan et al., 2020)。单倍体和二倍体Gephyrocapsa huxleyi（如Emiliania huxleyi）的转录组学研究表明，它们具有吞噬和酶降解潜在猎物颗粒所需的分子机制（Rokitta et al., 2011）；尽管最近的遗传模型表明G. huxleyi是纯粹自养的（Koppelle et al., 2022），但低水平的吞噬作用证实了这一点（Ye et al., 2024）。据报道，在另外3种包裹在互锁异球石中的非活动物种中也有有限的吞噬作用(Avrahami &amp；Frada, 2020)。apsteinii Lohmann属颧盘目(Young &amp；鲍恩,1997)。非运动的异球粒岩的球粒球由两种非连锁的球粒岩组成，即板状的微晶岩和瓮状的多晶岩，下面有一层重叠的体鳞片。叶绿体大，有裂片和指状延伸。系统发育位置、结构和对培养的适应性使apsteinii成为钙化和膜生理研究的模式生物(Drescher et al., 2012；Durak et al., 2016；Langer et al., 2023)。在这些研究中，脱钙的S。利用板足观察到apsteinii在培养皿中移动并与介质中的颗粒相互作用，这表明它具有吞噬能力（见支持信息视频S1）。在这里，我们全面测试了钙化的apsteinii的吞噬作用和假设的消化液泡的生理状态，使用功能分析，相关猎物和摄取可视化，颗粒加工和细胞器的超微结构。在这些实验中，我们意外地观察到噬绿现象。猎物和叶绿体片段都由同一个突出的酸性液泡加工，该液泡组成性表达并在整个细胞周期中保存。我们认为液泡是一种新的多功能细胞器，可能在营养获取和循环中起重要作用。

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.