細菌的秘密「愛情」生活：新研究挑戰微生物演化迷思

新研究揭露，細菌會形成物種，並透過物種內頻繁的DNA交換，維持其凝聚力。這個稱為同源重組的過程，強化了不同物種的界限，對微生物學、醫學以及環境科學都有重大意義。

科斯塔斯・康斯坦丁尼迪斯（Kostas Konstantinidis）推翻了一項長期存在的科學假設，他證明瞭許多微生物，如同植物和動物一樣，會組成不同的物種。數十年來，科學家們一直認為，由於細菌獨特的基因交換機制，以及其全球龐大的數量，它們無法形成物種。

在這項開創性的發現基礎上，康斯坦丁尼迪斯及其合作夥伴的新研究更進一步。研究顯示，細菌不僅會形成物種，還會透過某種類似有性生殖的過程，凝聚地維持這些物種。

「接下來我們的問題是，同一物種中的個體微生物如何維持它們的凝聚力。換句話說，細菌如何保持相似性？」康斯坦丁尼迪斯表示，他是喬治亞理工學院土木與環境工程學院的理查德・C・塔克教授（Richard C. Tucker Professor） 。

一般認為，細菌和其他微生物主要透過二分分裂（即無性生殖）演化，同時也會偶爾進行基因交換。康斯坦丁尼迪斯和一個國際研究團隊，運用一種全新的生物資訊方法來偵測基因轉移，再加上一批新的全基因組資料，驗證了他們有關物種如何形成及維持的假設。他們發現，細菌演化和形成物種的方式，比先前認為的更具「性」質。

他們的研究發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。

為了探究微生物物種如何維持其獨特的特性，研究團隊分析了來自兩個自然族群的微生物完整基因組。他們從西班牙太陽鹽田收集了超過100株嗜鹽桿菌（Salinibacter ruber，一種嗜鹽微生物），並進行了定序。接著，他們分析了先前從英國畜牧場分離出的一批大腸桿菌基因組。他們比較了親緣相近的微生物基因組，以瞭解基因是如何交換的。

他們發現，一個稱為同源重組的過程，在維繫微生物物種方面扮演著重要角色。當微生物彼此交換DNA，並將新的DNA整合到自己的基因組中，取代自身相似的DNA時，就會發生同源重組。他們觀察到，重組在微生物的整個基因組中經常且隨機地發生，而不只是在少數特定區域。

「這可能與動物、植物、真菌和非細菌生物的有性生殖有根本的不同，在後者中，DNA是在減數分裂期間交換的，但就物種凝聚力而言，結果可能是相似的。」康斯坦丁尼迪斯說。這種不斷的遺傳物質交換，就像一股凝聚力，使同一物種的成員保持相似。

研究人員還觀察到，同一物種的成員彼此交換DNA的可能性，比與不同物種的成員交換的可能性更高，這進一步促成了明確的物種界限。

康斯坦丁尼迪斯表示：「這項研究解決了微生物學中一個長期存在的重大問題，這個問題與許多研究領域都相關。也就是如何定義物種，以及物種凝聚力的根本機制。」

這項研究對多個領域都有啟發，從環境科學、演化學到醫學和公共衛生，並為鑑定、模擬和調控臨床上或環境上重要的生物體，提供了寶貴的見解。研究過程中開發的方法，也為未來的流行病學和微生物多樣性研究，提供了一套分子工具。

參考文獻：「Microbial species and intraspecies units exist and are maintained by ecological cohesiveness coupled to high homologous recombination」，作者Roth E. Conrad、Catherine E. Brink、Tomeu Viver、Luis M. Rodriguez-R、Borja Aldeguer-Riquelme、Janet K. Hatt、Stephanus N. Venter、Ramon Rossello-Mora、Rudolf Amann 和 Konstantinos T. Konstantinidis，發表於2024年11月15日的《自然通訊》。DOI：10.1038/s41467-024-53787-0

這項研究得以完成，要歸功於西班牙馬略卡島IMEDEA的拉蒙・羅塞洛 - 莫拉（Ramon Rossello-Mora）研究團隊，以及德國不萊梅馬克斯・普朗克海洋微生物研究所的魯道夫・阿曼（Rudolf Amann）研究團隊的貢獻。他們從自然微生物族群中取得資料，並在資料分析和詮釋方面做出了同等的貢獻。

資金來源：美國能源部、美國國家科學基金會、歐洲區域發展基金