近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心王俊峰研究員課題組在細(xì)菌適應(yīng)性進(jìn)化研究中取得新進(jìn)展，為理解細(xì)菌如何通過退化進(jìn)化適應(yīng)新環(huán)境提供了新的視角。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Microbiological Research?上。

在細(xì)菌界，鞭毛是促進(jìn)運動的重要細(xì)胞器，細(xì)菌能夠精準(zhǔn)調(diào)控鞭毛組裝，以應(yīng)對環(huán)境的快速變化，使這些生物能夠?qū)で笥欣沫h(huán)境和避免不利的因素。然而，鞭毛是一種超巨型蛋白復(fù)合物，其生物合成過程復(fù)雜，涉及到眾多基因的協(xié)調(diào)表達(dá)和調(diào)控，是一項高能耗任務(wù)。在某些條件下，缺失這一細(xì)胞器可能為細(xì)菌帶來能量上的優(yōu)勢并減輕代謝負(fù)擔(dān)。比如，細(xì)菌可以在饑餓條件下以程序化的方式去除鞭毛，從而減輕與鞭毛組裝和運動相關(guān)的高能量消耗。

研究團(tuán)隊在實驗室條件下，將模式菌丁香假單胞菌Pst DC3000連續(xù)轉(zhuǎn)接700代，隨著傳代次數(shù)的增加，其鞭毛丟失，導(dǎo)致運動能力顯著下降，并且這種表型為進(jìn)化群體帶來了適應(yīng)性優(yōu)勢。綜合運用蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)、生化與分子生物學(xué)、微生物生理學(xué)等多種方法，揭示了Pst DC3000細(xì)菌在長期傳代進(jìn)化過程中鞭毛丟失的分子機制。當(dāng)鞭毛對生存不重要時，這種復(fù)雜的器官就會丟失，從而減輕代謝負(fù)擔(dān)，提高細(xì)菌適應(yīng)性。在此過程中，還出現(xiàn)了參與鞭毛生物合成的多種適應(yīng)性基因突變現(xiàn)象，包括fleQ、dksA和glnE。此外，進(jìn)化后的非運動種群還通過增加表面活性物質(zhì)的產(chǎn)生，促進(jìn)了與野生型細(xì)胞的“搭便車”現(xiàn)象。本研究不僅揭示了Pst DC3000鞭毛退化進(jìn)化的內(nèi)在驅(qū)動力，同時也拓寬了對其調(diào)控系統(tǒng)的認(rèn)識，并能更好地理解遺傳和表型水平的適應(yīng)過程。

強磁場中心王嘉榕為本論文的第一作者，王俊峰研究員和蘭州大學(xué)何永興教授為共同通訊作者。該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研發(fā)計劃等項目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.micres.2024.127969

實驗流程圖

進(jìn)化過程中的細(xì)菌和突變體細(xì)菌的swarming運動能力及其鞭毛表型

非運動細(xì)菌在swarming運動過程中的“搭便車”現(xiàn)象