Cell子刊综述:肠道菌群与宿主进化

【字体: 时间:2016年04月26日 来源:生物通

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  最近在《Trends in Ecology and Evolution》发表的一项研究中,Shapira——致力于研究秀丽隐杆线虫的肠道微生物,有证据显示,微生物群通过与宿主一起进化,或通过在关键时刻介入以帮助宿主适应一个新的环境挑战,影响并有助于宿主的进化。

  

生物通报道:科学家们越来越认识到,肠道菌和其他微生物对我们健康的重要性,但是,加州大学伯克利分校的生物学家在问:这些微生物——我们的微生物组,是否通过操纵进化,而在塑造我们自己的过程中,发挥一定作用呢?延伸阅读:Cell Rep:测序揭示人类肠道菌群的进化PNAS:肠道菌群研究的“大革命”

生物学家收集的证据表明,动物及其共生体(通常是生活在体表或体内的细菌)之间的相互依存,对这两者的进化有影响。但是,加州大学伯克利分校的综合生物学助理教授Michael Shapira认为,我们身体的不同微生物群,有着更为深刻的影响,为了生存,它们以一种亲密的协作,显著加剧了进化。

最近在《Trends in Ecology and Evolution》发表的一项研究中,Shapira——致力于研究秀丽隐杆线虫的肠道微生物,有证据显示,微生物群通过与宿主一起进化,或通过在关键时刻介入以帮助宿主适应一个新的环境挑战,影响并有助于宿主的进化。

他说,这些例子,支持相对较新的全基因组(hologenome)概念,该术语指,宿主及其微生物的基因组,也许包括皮肤上、肠道中甚至生殖器官中成千上万不同种类的细菌。在他最近的一篇论文中,Shapira阐述了特拉维夫大学研究人员在2008年的一项提议:进化对全基因组起作用,而不是单独地对宿主及其微生物群的基因组起作用。这意味着,随着宿主进化以适应不断变化的环境,其微生物群在指导和参与其进化的过程中,发挥关键的作用。

Shapira说:“当我看到Ilana Zilber-Rosenberg和Eugene Rosenberg描述全基因组概念的文章时,这出乎我的意料。动物可能不完全基于自己的基因组进行选择,而是借助于更多,从而为以前人们想象不到的进化路径,开启了大门。”Shapira进一步阐述了这个概念,包括关于生物体之间共生关系的一些惊人发现,因为它们彼此依赖,结合在一起。

蚜虫和它们的肠道细菌
Shapira说,宿主及其共生体共进化的例子,在我们身边到处都是。据证明,蚜虫依靠细菌,提供蚜虫不能制造、并无法轻易从饮食获得的必需氨基酸,而细菌——叫做Buchnera的一个集群,以树叶来源的糖的形式,可得到这些氨基酸。

研究人员检测了不同种类蚜虫及其肠道细菌的基因,他们发现,在进化过程中新蚜虫物种的出现,反映在昆虫的Buchnera共生体中的物种形成事件。这演示了这两个物种的命运相连如何引起了共进化。但Buchnera并不孤单。后续工作还表明,蚜虫还具有其他不那么重要的共生体,或依赖它们的宿主,但是帮助昆虫在不断变化的环境中适应新的生态位。

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Shapira表明,总之,这些物种代表了一个基本的全基因组,具有必不可少的、共同进化的共生体,但也具有庞大的微生物,用于灵活适应不断变化的环境。适应新环境,可能导致人口分散、隔离,和随后一个新物种的进化。Shapira说,这是与共生体一起生活的一个关键结果,他相信,微生物群,包括许多类型的共生体,代表了这种蚜虫-共生体关系的扩展版本。

在果蝇进行的一个实验演示了这一点。当喂食不同类型的食物时,果蝇发展出不同的肠道微生物群,可更善于处理可用的食物。

然而,他说:“令人惊讶的结果是,在一代的时间内,果蝇对自己的类群发展出了择偶偏好,忽略了其他类群,这依赖于帮助它们利用食物的肠道微生物。实际上,这导致了两个种群的生殖隔离,并可能促进未来的物种形成。”

线虫的肚子不适
在他自己的实验室里,他在富含不同类型产物的土壤上养线虫——例如,含糖和纤维,他们发现,无论什么食物来源,以及随之而来的环境微生物多样性,线虫在其肠道也有类似的细菌。不同食物的平衡变化,也出现在人类身上。例如,与素食者相比,高脂肪含量饮食的人,有不同的微生物群,虽然在人类中,确定一个核心的微生物群更难。

研究表明,这些肠道细菌有助于宿主生活的许多方面,包括发育、生育、新陈代谢、免疫和行为。例如,无微生物的小鼠不能发展出强大的免疫系统,而线虫则依靠一些肠道微生物来抵抗细菌。

Shapira在他的论文中提出,动物和一套核心细菌一起进化,它们可以适应不断变化的环境,也许,随着时间的推移,会成为新的物种。在我们肠道中游来游去的其他细菌,与我们的基本功能关系不大,但受到不断变化的环境的影响,理想上可作为一种资源,来帮助我们适应饮食的突然改变或毒素。

在考虑这些可能性时,Shapira借鉴了共生的不同例子。例如,最近的一个实验显示,一种昆虫——宽头臭虫,由于获得了一种可解毒的肠道微生物,因此它们能在接触农药后生存下来。

他说:“在我看来,这是有许多灵活的微生物的优势的一个例子。你可以交换它们的环境,你可以得到能够更好保护自己的菌株。这是实现适应性的一种方式。”

Shapira的提议也意味着,某些微生物群——也就是说,核心微生物群,可能被传递给一个人的后代,但是其他部分,属于灵活的微生物部分,可以与环境交换。宿主或微生物的变化,会改变整个全基因组。

他说:“科学家们日益认识到,事实上所有的动物都与复杂的微生物群落形成一种共生关系,应该扩大我们考虑‘共生互动关系如何影响宿主进化’的框架”。

Shapira计划未来开展秀丽隐杆线虫的实验,来检验这些想法,并澄清宿主及其微生物群之间的互利关系。

(生物通:王英)

生物通推荐原文:
Gut Microbiotas and Host Evolution: Scaling Up Symbiosis. Michael Shapira. Trends in Ecology and Evolution (2016).

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