PNAS新发现的基因可以让细菌在土壤中有毒重金属的影响下茁壮成长

一项研究发现，一些土壤细菌可以获得一组基因，使它们能够将重金属镍排出体内。这使得细菌不仅能在有毒的土壤中茁壮成长，还能帮助植物在那里生长。一个研究小组在野生土壤细菌中找到了一组基因，这些基因使它们能够在蛇形土壤中做到这一点，蛇形土壤中天然含有高浓度的有毒镍。这一基因发现可能有助于为未来的生物修复工作提供信息，以寻求让植物重返被污染的土壤。

　　

一项研究发现，一些土壤细菌可以获得一组基因，使它们能够将重金属镍排出体外。这使得细菌不仅能在有毒的土壤中茁壮成长，还能帮助植物在那里生长。

华盛顿州立大学领导的一个研究小组在野生土壤细菌中找到了一组基因，这些基因使它们能够在蛇形土壤中做到这一点，蛇形土壤中天然含有高浓度的有毒镍。这一基因发现详细发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academies of Sciences)上，它可能有助于为未来寻求让植物回归受污染土壤的生物修复工作提供信息。

“我们可以肯定地说，这些基因让细菌在重金属暴露中存活下来，因为如果我们把它们拿走，它们就会死亡。如果我们把它们添加到一种对重金属敏感的新细菌中，突然之间它就会产生抗药性，”该研究的资深作者、华盛顿州立大学的进化生态学家斯蒂芬妮·波特说。

被称为根瘤菌的土壤细菌对豆科植物至关重要，包括大豆和苜蓿等商业作物，因为它们与根部共生，帮助植物固定氮，基本上是给植物施肥。

在这项研究中，波特和她的同事们从俄勒冈州和加利福尼亚州的55个草原上采集了野生根瘤菌的样本，其中一些是含镍重的蛇纹石土壤，而另一些则没有。他们进行了一系列的基因分析，发现了一组被称为抗镍操纵子的基因，这是使细菌在暴露于重金属环境下存活所必需的。

他们还发现，这种适应性与土壤中的镍含量密切相关。来自高镍浓度地区的细菌具有更强耐受性的基因版本，而来自低镍浓度地区的细菌具有不能有效耐受高水平镍的基因版本。

“就像这些根瘤菌和它们的栖息地之间有一种非常美丽的匹配，”波特说。“这是一个精致的进化故事，讲述了多样性是如何在自然界中产生和维持的，与这些生物面临的挑战水平非常接近。”

该团队正在进一步研究细菌通过所谓的“水平基因转移”实现这种适应的方式。与动物不同，细菌不仅将遗传信息从父母传递给孩子。它们还可以通过与同伴细菌的密切接触来共享“可移动”的基因。

波特将这一过程比作在智能手机上下载一个应用程序，其中一个细菌细胞与环境中的另一个细菌细胞结合，它们交换信息包，本质上是一组基因。然后，细菌“下载”这些信息，新的DNA成为该生物体基因组的一部分。

许多种类的细菌这样做是为了适应不同的环境，波特实验室的华盛顿州立大学博士候选人Angeliqua Montoya说。这包括一些对人类有问题的细菌，例如对抗生素产生耐药性的有害细菌。

“这些可移动的元素赋予了细菌一系列的特性，”蒙托亚说。

研究人员打赌，通过更好地了解这些可移动的遗传元素，其中一些特征可以被利用来利用微生物来帮助克服挑战，比如影响越来越大的污染土壤。