密切相关的木匠蚁种群中布洛赫曼内拉内共生体隐藏的遗传多样性及其分子进化意义

《Journal of Evolutionary Biology》：Hidden genetic diversity among Blochmanniella endosymbionts of closely related carpenter ant populations

本研究针对木匠蚁内共生细菌"Candidatus Blochmanniella"的进化机制这一科学问题，通过对高山环境特化的Camponotus vicinus种群及其内共生体BSEQ进行基因组测序和比较分析，揭示了尽管共生体基因组结构高度保守，但不同谱系间存在显著的分子进化差异。研究发现BSEQ谱系丢失了膜维持、细胞信息处理和营养合成相关基因，蛋白编码基因平均相似度仅93.6%，选择压力分析表明大多数基因受到强或松弛的纯化选择。该研究为理解宿主-共生体协同进化提供了新的见解。

　　

在加利福尼亚的内华达山脉高海拔地区，生活着一群特殊的木匠蚁，它们与一种名为布洛赫曼内拉(Blochmanniella)的细菌形成了古老的共生关系。这种细菌生活在蚂蚁的肠道细胞和卵巢中，通过母系垂直传播，为宿主提供必需的营养支持。然而，随着宿主种群在地理上的隔离，这些内共生体是如何进化的？它们是否保持着相同的功能？还是已经走上了不同的进化道路？

为了解答这些问题，由Reo H. Maynard领导的研究团队对来自内华达山脉海拔2300米处的木匠蚁种群进行了深入研究。他们发现，尽管这个种群在形态上与广泛分布的C. vicinus相似，但线粒体细胞色素氧化酶I(COX I)标记显示它们与其他地理种群的遗传差异达到10%。更重要的是，其内共生体布洛赫曼内拉也展现出独特的基因组特征，研究人员将其命名为B. vicinus Sequoia谱系(BSEQ)。

这项发表在《Journal of Evolutionary Biology》上的研究，通过比较基因组学方法，揭示了内共生体进化中的隐藏多样性。研究发现，尽管BSEQ与其他布洛赫曼内拉谱系在基因组结构上高度保守，但在分子水平上却存在显著差异。

研究人员采用了几项关键技术方法：从加州红杉国家公园采集的木匠蚁样本中，通过肠道解剖和DNA提取获得内共生体基因组；使用Illumina MiSeq平台进行宏基因组测序；通过de novo组装和注释获得完整的BSEQ基因组；利用比较基因组学方法分析基因内容和功能差异；采用系统发育分析确定BSEQ的进化地位；通过密码子替代模型(dN/dS)分析选择压力。

Ant host and Blochmanniella endosymbiont identification

研究发现，目标蚂蚁种群虽然形态上类似于C. vicinus，但通过DNA条形码分析发现，它们与来自加利福尼亚沿海山脉和加拿大不列颠哥伦比亚省的C. vicinus种群存在约10%的遗传差异。这种差异表明这是一个先前未被研究的宿主-共生体种群。

Blochmanniella phylogenetic relationships

基于16S rRNA的系统发育分析显示，BSEQ与先前测序的BVIC谱系密切相关，但代表了一个更早分化的谱系。BSEQ与来自加利福尼亚索诺玛的BVIC在16S rRNA上的平均核苷酸同一性为90%，而与其他布洛赫曼内拉的平均差异达到87.3%，证实BSEQ是一个独特的分化谱系。

Characteristics of the complete BSEQ genome reveal conserved cellular and nutritional roles among Blochmanniella lineages

BSEQ的基因组大小为783,876 bp，编码614个蛋白编码基因(CDSs)、一个核糖体基因簇和39个转运RNA(tRNAs)。与其他布洛赫曼内拉谱系相比，BSEQ保留了核心的561个基因，包括mRNA转录(COG K)、蛋白质翻译(COG J)和中心代谢相关基因。特别值得注意的是，BSEQ能够合成10种必需氨基酸中的7种，并保留了解毒尿素和修复紫外线损伤的能力。

Gene losses in BSEQ and related Blochmanniella lineages

基因组比较显示，不同布洛赫曼内拉谱系存在差异性的基因丢失。BSEQ和近缘谱系(BNIP、BPEN、BMOD)比BFLO和BVAF保留了更多基因。特别值得注意的是，BSEQ保留了完整的泛醌合成能力，而BVIC则丢失了该途径中的几个关键基因。此外，BSEQ中还发现了多个假基因，包括hisH、lptG、rluD和ybiS，这些基因的失活可能影响细菌-宿主细胞相互作用。

Genome-wide molecular divergence between Blochmanniella lineages

全基因组水平的分子差异分析显示，BSEQ与BVIC在CDS区域的平均相似性为93.6%，而在rRNA基因上的相似性为98.5%。个别基因的相似性从86.4%(硫转移蛋白tusE)到98.0%(热休克蛋白groES)不等。尽管不同功能类别基因的差异程度不同，但统计分析未能发现COG类别间的显著差异。

Patterns of selection between Blochmanniella lineages

选择压力分析揭示了布洛赫曼内拉基因组进化的关键机制。在471个单拷贝直系同源基因中，424个基因显示谱系特异性的选择压力。其中，BSEQ分支上的224个基因和BVIC分支上的212个基因受到强纯化选择(dN/dS < 0.1)。值得注意的是，132个基因仅在其中一个谱系中受到强纯化选择，表明BSEQ和BVIC之间存在选择约束的异质性。

研究结论表明，尽管布洛赫曼内拉BSEQ谱系与其他C. vicinus相关的内共生体在基因组结构上高度同线性，但在分子进化模式上呈现出不同的故事。来自加利福尼亚内华达山脉的BSEQ在大多数位点上都高度分化，而一些必需的共生体基因则表现出较高的序列相似性。重要的是，没有基因显示正选择信号，所有基因要么受到强纯化选择以维持基本功能，要么受到弱或松弛的纯化选择，表明存在升高的遗传漂变。

这项研究的重要意义在于揭示了布洛赫曼内拉内共生体中存在的隐藏多样性。尽管这些共生体在结构和功能上保持保守，但它们在分子水平上的进化轨迹却各不相同。这种隐性多样性为了解木匠蚁-布洛赫曼内拉内共生体系的主动进化提供了关键见解，也为理解其他共生体系中的协同进化机制提供了重要参考。研究结果强调，即使是密切相关的宿主种群，其内共生体也可能具有独特的进化历史，这对我们理解宿主-微生物相互作用的动态性质具有重要意义。