(Chain of the symbiotic diatom with its N2 fixing cyanobacterial symbiont. In the brightfield (top) the symbiont is inconspicuous inside the host, whereas with epi-fluorescence (bottom) the filaments of the symbionts (arrows) are easily distinguished. Credit: Dr. Vesna Grujcic.)
(Epi-fluorescent images of open ocean symbiotic diatoms with their N2 fixing cyanobacterial symbionts. The symbionts auto fluoresce yellow whereas the diatom chloroplasts fluoresce red. A continuum of integration exists where symbionts reside inside (endobiont, left), or in transition (partially endobionts, middle), or attached (epibionts, right). Credit: Rachel A Foster)
공생 과정이 오랜 세월 진행되면 일부 공생 미생물들은 독립 생활에 필요한 유전자를 잃고 점점 세포 소기관처럼 변하는 모습을 보입니다. 미토콘드리아나 엽록체는 아주 오래전 진핵생물의 조상에 들어와 통합된 미생물로 생각되고 있습니다.
과학자들은 최근에도 계속해서 비슷한 사례들을 발견해 왔습니다. 스톡홀름 대학과 다른 연구 기관의 과학자들은 식물성 단세포 조류인 규조류 (diatoms)와 시아노박테리아의 일종인 리첼리아 (Richelia)의 공생관계에서 비슷한 진화과정을 밝혀냈습니다.
규조류와 시아노박테리아 모두 광합성 생물이기 때문에 특별한 공생 관계가 필요하지 않을 것 같지만, 리첼리아 속의 시아노박테리아는 대기 중 질소를 고정하는 특별한 능력이 있습니다. 시아노박테리아는 질소를 공급하고 규조류 식물성 플랑크톤은 살곳과 다른 필요한 영양분을 제공하는 방식으로 공존하는 것입니다.
연구팀은 공생 정도에 따라 리첼리아 시아노박테리아의 유전자 소실 정도가 다르게 나타난다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어 규조류 세포벽에 사는 세균보다 세포벽 사이에 사는 경우에 유전자 소실이 많고, 아예 규조류 몸에서 살아가는 경우 가장 유전자가 적어져 숙주에 많은 것을 의존한다는 사실을 알 수 있었습니다.
다만 엽록체나 미토콘드리아 수준으로 대부분의 유전자를 잃기까지는 아주 많은 시간이 필요한 것으로 보입니다. 아마도 이 과정은 최소 수억 년에 걸쳐 일어났을 것입니다. 생존에 필요한 유전자가 공생 미생물에서 핵으로 이동하고 완전한 형태의 세포 소기관이 되는 데는 상당한 시간이 필요합니다.
리첼리아 시아노박테리아가 이 단계까지 진화할지는 알 수 없지만, 수십 억년 전 일어났던 진핵생물의 진화를 엿볼 수 잇는 기회를 제공한다는 점에서 이들의 공생은 과학자들의 주목을 받고 있습니다.
참고
https://phys.org/news/2025-08-tiny-ocean-partnership-algae-bacteria.html
Vesna Grujcic et al, Stepwise genome evolution from a facultative symbiont to an endosymbiont in the N2-fixing diatom-Richelia symbioses, Current Biology (2025). DOI: 10.1016/j.cub.2025.08.003
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