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深圳先進院等利用遷徙進化實驗揭示合成生物建構原理

2019-11-07 深圳先進技術研究院
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  117日,《自然》(Nature杂志以长文形式发表了中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物学创新研究院研究员刘陈立实验室簣D又荽笱圣地亚哥分校教授华泰立实验室的合作成果《空間擴展生境定植的進化穩定性策略》(An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats)。該研究將空間定植、實驗性進化與合成生物技術結合起來,研究物種空間定植的最優策略。研究發現對于空間定植,並不是遷移速率越快的種群越有優勢,過快的遷移速率會使種群變得不穩定,容易被遷移速率小的種群所入侵,種群在不同大小生境的定植,都對應著一個最優的遷徙和生長策略。

  研究团队通过一个简单的数学关系,总结了细菌通过平衡生长和运动的进化策略来实现空间上的分布多样性规律,该成果对于构建稳定的合成多细胞系统、解释均质环境下如何维持生物多样性、或预测物种迁移定植的最优策略等问题提供了理论指导。該文章是深圳先进院第一篇第一作者和最後通訊作者單位文章。

  首先,作者構建了細菌在軟瓊脂平板上遷徙的實驗性進化系統(圖1a)。簡單來說,將細菌接種在軟瓊脂上,細菌在不斷向外遷移擴張的同時會有部分細菌遺留定植下來,遷移前緣的細菌逐漸布滿整板,同時遷移後方遺留定植下來的細菌生長至營養消耗殆盡。之後挑取不同位置的細菌,分別轉接到新鮮准備的軟瓊脂上,遷移生長至整板後,分別從這些平板上挑取之前同樣位置的細菌轉接至新鮮准備的軟瓊脂平板上,重複上述步驟。

  細菌群體的遷移速率的變化呈發散狀變化,能夠在遠處定植的細菌的遷移速率變大,而靠近中心定植的細菌的遷移速率變小(圖1b)。遷移速率變小這一現象出乎研究人員的意料。從直覺上講,種群通過遷徙擴張獲得營養或新的生存環境,快速的遷徙擴張似乎對物種的定植有利。那爲什麽實驗上會出現遷移速率不斷進化變慢的情況呢?進一步分析這個變化趨勢,作者意識到空間上存在一個非常特別的位置(約15mm)。每次在這個位置定植的細菌,遷移速率沒有變化。換一句話說,就是這個位置定植的細菌在進化上是穩定的。

  其次,作者分析不同遷移速率菌株單獨在軟瓊脂平板上遷移的動力學特征,結果顯示遺傳均一種群單獨遷移擴張時,確實是遷移速率快的菌株具有絕對優勢。然而,遺傳不均一的兩個種群(表型上遷移速率不同)同時遷移擴張時,空間上存在一個轉折點dx,該處快慢兩者適應性相同,在轉折點以外的空間遷移速率快的占有優勢,在轉折點以內的空間遷移速率慢的占有優勢(圖2a,2b),這說明種群在不同位置的適應性依賴于其它種群的存在。通過不同進化突變菌株與野生型菌株的兩兩競爭實驗和數學模型模擬預測這一競爭性生長遷移現象具有普遍性(圖2c,2d)。

  作者接著利用合成生物技術構建了兩個負反饋調控菌株。這兩個合成菌株能夠在各自誘導劑控制下,線性改變遷移速率,而保持其它生理參數不變(圖3a,3b)。利用這兩個遺傳背景幹淨菌株的兩兩競爭實驗驗證了競爭性生長遷移模型,解釋了轉折點的産生機制,而且這與實驗記錄到的兩菌競爭性遷移的動力學特征相吻合(圖3c)。

  當兩菌競爭擴展到三個菌之間的競爭時(4),結果顯示三菌競爭會形成兩個轉折點,除了速度大的在外邊占優勢、速度慢的在裏邊占有優勢外,中間還夾著一個空間區域,中間速度的菌在此區域內占優勢。

  如果快菌、慢菌的迁移速率无限接近中间菌株的迁移速率时,中间区域会逐渐被挤压成一个点,中间速度菌株在该位置处占有优势且不会被其它速度的菌株入侵,因此可以推出每个空间位置都对应着一个能在此定植的稳定迁移速率。通过模型拟合不同迁移速率菌两两竞争的适应性景观(圖5a)。適應性景觀中每個生存域/位置都对应一个稳定的平衡点(即最佳迁移速率),具有最佳迁移速率的种群不会被迁移速率更大或更小的种群入侵(圖5c),而這個最佳遷移速率與生存域的大小成線性關系,這個線性關系的斜率由生長速率決定(5b)。進一步的進化實驗結果驗證了該定量規律。

  基于該定量規律,很容易推測出,只要控制好遷移速率和生長速率,就可以讓不同細胞有序且穩定地分布在空間不同區域。爲了驗證該推測,作者構建了5株不同遷移速率的菌株。進一步實驗表明,5株菌株从空间中央生长、增殖和迁移,自发性地定植在空间上不同区域(圖6)。

  這篇文章中揭示的定量規律,一方面可以指導合成生物學研究者設計構建多細胞種群的空間有序結構,另一方面也可以啓發生態進化學者關于均一環境下的種群共存等問題的思考。中科院院士趙國屏和歐陽颀分別給予高度評價。

  该研究受到中科院定量工程生物学重点实验室、基金委重大计划、中科院先導專項、深圳合成生物学创新研究院项目等的支持。

  論文链接

圖1. 细菌群体迁徙进化实验

圖2. 细菌竞争性迁移分布的普遍性规律

圖3. 合成生物改造菌株验证竞争性迁移分布规律

圖4. 三个进化突变菌的空间分布

圖5. 细菌空间迁移定植的定量规律

圖6. 合成生物改造菌株验证空间多种群共存的理论预测

打印 責任編輯:葉瑞優

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