原文献信息：LaRoche, J.; Archibald, J. M. Marine microbiology: How to evolve a nitrogen-fixing organelle. Curr Biol 2024, 34(17), R826-R829.摘要：
细胞器通过内共生进化的过程被认为十分罕见。两项最新研究表明，固氮细菌与真核藻类之间的内共生关系已逐渐达到了接近细胞器水平的整合度，这有助于解决海洋氮限制问题。没有氧气，我们无法生存。鲜为人知的是，地球上约50%的氧气来自海洋中的单细胞藻类。尽管这些浮游植物的光合作用令人印象深刻，但其生产力受到可利用氮素的限制，而氮素是海洋表面大部分区域稀缺的必需营养元素。这时固氮微生物（即固氮的原核生物）便发挥了作用：它们将氮气（N2）转化为氨，然后氨被合成为支持浮游植物生长的生物分子。尽管氮气固定对海洋初级生产力至关重要，但我们对固氮原核生物与依赖它们的真核浮游植物之间的生物联系知之甚少。
两项新的研究描述了两种不同海洋浮游植物宿主和两种不同固氮细菌之间的内共生关系的最新进化——其中一种为蓝藻cyanobacterium，另一种属于α-变形菌纲的根瘤菌目。这两项研究共同为内共生体向细胞器过渡的过程提供了新见解，并强调了氮气固定作为海洋生物创新的进化驱动力的重要性，两篇文章如下：1. T.H. Coale, V. Loconte, K.A. Turk-Kubo, B. Vanslembrouck, W.K.E. Mak, S. Cheung, A. Ekman, J.-H. Chen, K. Hagino, Y. Takano, et al. Nitrogen-fixing organelle in a marine alga Science, 384 (2024), pp. 217-222.2. B. Tschitschko, M. Esti, M. Philippi, A.T. Kidane, S. Littmann, K. Kitzinger, D.R. Speth, S. Li, A. Kraberg, D. Tienken, et al. Rhizobia-diatom symbiosis fixes missing nitrogen in the ocean Nature, 630 (2024), pp. 899-904.Coale等人在《Science》杂志发表的研究显示，Candidatus Atelocyanobacterium thalassa（UCYN-A）与海洋藻类Braarudosphaera bigelowii共同进化，形成专性共生关系，UCYN-A基因组高度简化，依赖宿主进行碳固定和光合作用。研究通过培养体系和实验发现，UCYN-A被宿主膜包裹，与线粒体紧密接触，其复制分裂与宿主及其细胞器的分裂紧密协调。蛋白质组学分析显示，UCYN-A中许多蛋白质由宿主编码，包括代谢酶等，表明蛋白质从宿主向UCYN-A运输。尽管靶向肽位置与经典内共生体不同，但蛋白质导入原则相似。总体而言，作者将UCYN-A 归类为细胞器，称之为“固氮体”（nitroplast），表明其与宿主高度整合。Tschitschko等人在《Nature》杂志描述了羽纹硅藻Haslea sp.与固氮菌Candidatus Tectiglobus diatomicola（gamma-A）的共生体系，gamma-A基因组缩小，符合专性内共生特征，其nif操作子可能通过水平基因转移获得。每个硅藻平均含四个gamma-A，它们将大部分固定氮转移给宿主以换取碳。gamma-A与宿主细胞分裂协调，但其进化位置待研究。
gamma-A与UCYN-A类似，独立满足藻类宿主氮需求，可能是广阔海域氮气固定的主要力量。未来需研究gamma-A是否应视为细胞器，及其建立时间和环境条件等。自然常在基因组、细胞和海洋生物地球化学层面回收旧解决方案应对新问题。
