早在1876年，人们就观察到海蜗牛体内有绿色的颗粒（Brandt, 1883）。90年后，这种颗粒被确认与藻类细胞内叶绿体具有完全相同的结构（Kawaguti & Yamasu, 1965），接着，在上世纪60-70年代，科学家们对这种小东西进行了详尽的研究，证明它获取了叶绿体后便获得了光合自养的能力。能够进行光合作用的海蜗牛（软体动物腹足纲后腮目）种类不少，在其两个亚目sacoglossans（囊舌亚目，素食）和nudibranchs（裸腮亚目，杂食）里都有例子存在。本文研究的海蜗牛属于前者，可以在没有进食任何藻类食物的情况下，靠光合作用维持9个月之久。而有一种更牛的Elysia cf. furvacauda，一生中甚至可以改变自己的食谱至少三次，吞食不同的藻类进行光合作用。不过，海蜗牛摄入体内的叶绿体，并不能遗传给后代。

 

这里读者不禁要问，既然不是新的发现，那么这篇研究论文究竟说的是什么？别着急，听我慢慢道来。科学研究总是在前人的基础上进行，总有它的动机和出发点。如果不了解背景知识，那么可能很难读懂这篇论文。其实，这篇论文的背景知识比其本身更有意思。

 

上面提到了，对于海蜗牛的研究，在上世纪70年代达到顶峰。但可惜的是，它接下来失去了经费支持，在80年代直至90年代初期，陷入停顿。近年来，随着分子生物学手段的发展，以及共生现象（symbiosis）在真核生物进化当中的作用越来越受到重视，“这个古老的学科重新焕发出了青春”。

 

共生是很宽泛的说法，大致是指不同种群（存在生殖隔离）的生物个体相互依存、共同生活的现象；如果其中一位在另一位的体内，则称为“内共生”。内共生理论是上过生物课的人比较熟悉的名词，最早由俄国人Konstantin Mereschkowski提出（1905），但当时很快被人扔到一边忘掉。直到80年代，在得到广泛证据支持的情况下（尤其是比较rRNA序列之后）才得以普及。根据完善后的理论，在很久很久以前，某个消化不良的厌氧细胞甲，吞掉了好氧细菌乙，但却消化不了对方（例如，乙有着很有韧性的质膜，或者更可能的是，甲自己的生命力实在太弱，因为大气里的氧气越来越多，日子越来越不好过了；这大概要怪那个叫做蓝藻的家伙吧）。僵持过程中，甲体内大量的半消化的食物泡被乙得到；乙如鱼得水——或者，好像饥饿的人扑到面包上一样——迅速利用自己体内的氧气，把它们消化得又快又好，制造出了大量的ATP（类似能量块的东西）。因为能量太多了，所以泄露了一点出来，跑到甲的细胞质里。结果，甲发现这样其实很不错：因为乙的存在，甲在有氧的环境下居然也可以获得足够的能量，活得越发滋润了。日久天长，甲再也离不开乙，而乙就变成了甲体内的细胞器：线粒体。同样地，质体（例如，叶绿体）的诞生历程与此相似，是与蓝藻（亦称蓝细菌、蓝绿细菌，是已知唯一可以进行有氧光合作用的原核生物）共生的结果。

 

在真核生物域的下面，植物界的上面，有一个“泛植物”的概念（Archaeplastida），包含了所有陆上植物、绿藻、红藻和灰藻。这些生物的叶绿体，统统都是双膜结构，因此被认为是与蓝藻初级共生的结果。这个是大家早就知道的事情了。近些年来（2000年以后）的新发现是，这些质粒的很多基因可以进一步整合到宿主的核基因组当中。这类现象被称为“共生基因传递”（EGT）。叶绿体不仅存在于“泛植物”当中，还存在于其他一些真核生物当中，如裸藻、囊泡藻类等。但后者的叶绿体具有三层甚至四层膜，被认为是次级共生（例如，吞掉绿藻或红藻，得到其双层的叶绿体后，再加一层）演变而成，这时候，发生的不仅仅有叶绿体与宿主之间的EGT，还有被吞食的绿/红藻类核基因组与宿主之间的HGT（水平基因转移）。这些基因转移的后果，便是造成质体内的遗传物质相比于蓝细菌少得多，仅含不到10%的代谢基因，大多都被整合到宿主的核基因组里。整合的好处，不仅仅使得宿主可以控制叶绿体的代谢，还增加了其基因组的复杂度，甚至进而赋予这些外源基因以新的功能。例如，关于拟南介（Arabidopsis）基因组的一项研究显示，这种陆生植物高达18%的核基因来源于蓝细菌，而其中有一半已经在行使全新的功能（在陆生植物的亲兄弟——灰藻当中，这两个数字分别是10.8%、1/6）。因此，可以想象，这种共生关系对于真核生物的进化有着相当的促进作用。

 

那么，这跟海蜗牛有什么关系么？或者说，海蜗牛与叶绿体的共生关系有什么特别之处吗？这种共生关系很罕见？倒不是因为这个，共生关系很常见，但一般的细胞内共生，都是宿体自己有一层膜，然后宿主再加一层膜，层层包好，互相之间的遗传物质不随便掺合。假如海蜗牛也是这样子：把吞食的囊泡藻（前面说了，这是一种次生藻类）包好，形成一种与囊泡藻的共生关系，利用叶绿体产能（注意这个时候是：叶绿体基因+囊泡藻基因→光合作用），那就没什么奇特之处。关键是，事实与此相反：海蜗牛会“吐皮儿”。即它会把吞食的囊泡藻的膜消化掉，只留下囊泡藻的叶绿体。注意，这个时候叶绿体内只有光合作用所需要的部分基因，而本来由囊泡藻提供的另外一部分基因，已经被消化掉了。按理说，光合作用就不应该能够进行了，可是这种海蜗牛居然可以，而且能够维持一生。那么，这是不是意味着，海蜗牛作为一种动物，居然可以提供光合作用所需的基因呢？而这个基因是不是通过水平基因转移（HGT），从囊泡藻中得来的呢（例如，长期食用囊泡藻的结果）？如果真的是这样，那就非常有趣，因为已知的大多HGT都是存在于原核生物之间，原核与单细胞真核生物之间，对于两个多细胞真核生物之间的水平基因转移，迄今人们还知之甚少。找到这样的例子，搞清楚它的机理，不仅仅对于进化研究有重要的意义，而且还将成为临床中运用基因疗法的理论基础。也因为这样，多细胞生物之间的水平基因转移，才被《科学》杂志（2005）列为未来25年内须被解答的125个重大科学课题之一。

 

这篇PNAS文章的意义也在于此，即，揭示了一种对于光合作用至关重要的基因psbO在两种多细胞生物——囊泡藻与海蜗牛之间的水平转移。不过，这其实也不是首例发现。在此之前，有研究已经揭示有另外三种基因：fcp, Lhcv1, Lhcv2，在这两种生物之间也发生了类似转移，但因为发表在影响力比较小的杂志《共生》（Symbiosis）上（2007），不太为人所知。这两篇文章在学术上的价值大小，我是门外汉，无从评价。下面简要地介绍一下本篇PNAS论文的研究方法，以飨各位读者的好奇心。

 

首先，科学家们把囊泡藻的叶绿体进行测序，同预计的一样，它缺少很多光合作用必须的基因，其中就包括psbO。众所周知，光合作用的重要一步是把水分解为氧气与氢，而psbO所编码的MSP蛋白被认为起到了稳定这一反应的作用，并且存在于所有已知能进行光合作用的生物当中。同时，MSP蛋白还是用量极大的耗材，随着光合作用的进行，需要被不断地重新合成。有鉴于此，科学家预测，海蜗牛不但拥有该psbO基因，而且还表达相应的mRNA。

 

为了验证这两点，科学家们把抓来的海蜗牛在人工海水中先饿了三个月，期间不给任何藻类食物，然后，收集它们的卵进行基因组分析。这样做的目的，是尽量去除海蜗牛胃里残余的藻类DNA的干扰。然后，科学家们利用藻类的psbO基因片段设计引物，去藻类、成年海蜗牛、以及海蜗牛卵里“钓”具有类似序列的DNA。不出所料，在三个地方都钓上来了类似psbO的DNA片段。而利用藻类psbO基因附近的另外一个基因设计引物，则只能在藻类里有所收获，无论是成年海蜗牛还是海蜗牛卵，都没有类似的DNA片段被钓上来。这样，就验证了海蜗牛基因组中psbO的存在。利用Northern Blotting方法，他们还进一步验证了海蜗牛内也有psbO的mRNA，而且比藻类psbO的mRNA还要长一些。

 

把海蜗牛内钓得的DNA片段翻译成氨基酸序列后（注意：这也许与真正的MSP蛋白序列有出入），科学家们发现，它有一段三联定向序列。在藻类的MSP蛋白中也有这段序列，其作用是为了帮助该蛋白跨越包裹在叶绿体外的内质网。而在海蜗牛当中的叶绿体，外表早就没有了这层内质网膜，因此，这个在海蜗牛内并没有明显作用的三联定向序列，进一步暗示了海蜗牛的psbO可能来自于藻类的HGT。

 

既然找到了海蜗牛体内可能存在这样一个“植物基因”psbO的证据，那么决定性的最后一步，自然是确定它在海蜗牛基因组内的确切位置。关于这点，很可惜，受当前技术和财力所限，科学家们没有给出完美的解答。根据以往的经验，HGT转移而来的基因，只有两个去向：线粒体基因组或者核基因组。科学家们仅仅对海蜗牛的线粒体基因组进行了测序（因为它比较小，只有不到15k bp，仅含37个基因），没有发现任何不存在于其他动物线粒体内的基因。除此之外，没有任何内含子，没有任何异常的GC含量（以500 nt为一个区间，步长200 nt）。哪怕是与其他基因组一起构建进化树，这段海蜗牛的线粒体也显得相当的“正常”，即老老实实地呆在它所属的海蜗牛当中。所以，这个基因大概会是在海蜗牛的核基因组内吧。

 

文章最后一句话蛮有意思的：

 

“根据这些发现，我们应该考虑到具有远亲关系的生物体之间（特别是具有任何体接触的）发生天然HGT的可能性。这在转基因生物中尤其如此。”

 

的确，在我们身边遍及转基因食物的今天，这的确有它严肃的现实意义。话说回来，惶恐也好，不以为然也好，都不如认认真真地对待它，用科学的态度和手段搞一个清清楚楚，明明白白。

 

（作者王瑞，现为美国杜克大学博士候选人，电子邮箱rui.rw24@gmail.com）

 

 

 

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