双形柄菌目光养潜力广泛与生命周期复杂性趋同缩减的进化研究

《Nature Communications》：Widespread potential for phototrophy and convergent reduction of lifecycle complexity in the dimorphic order Caulobacterales

本研究针对模式细菌Caulobacter crescentus生态与进化认知不足的问题，通过系统发育基因组学分析揭示了Caulobacterales目细菌在环境分布、形态发育和代谢方面的巨大多样性。研究发现该目细菌中光养基因广泛存在(约10%物种)，并首次报道了具有光自养潜力的新属Acaudatabacter；更重要的是，揭示了C. crescentus近缘类群中细胞双形性相关性状的趋同丢失现象，为理解细菌生命周期复杂性的进化提供了新视角。该研究发表于《Nature Communications》，为环境广布性细菌类群的进化研究提供了重要框架。

　　

在微生物学研究领域，模式细菌犹如照亮未知世界的明灯，其中Caulobacter crescentus（新月柄杆菌）因其独特的双形性生活周期而成为研究细菌细胞发育的明星模型。这种α-变形菌在每次分裂时会产生两种不同形态的子细胞：具有鞭毛的游动细胞和具有柄结构的固着细胞，这种不对称分裂机制为理解细菌细胞分化提供了经典范例。然而，令人惊讶的是，尽管C. crescentus已在实验室被深入研究半个多世纪，科学家对其在自然界的生态分布和进化历史却知之甚少。

目前微生物学研究面临着一个突出矛盾：我们对少数模式生物的了解日益深入，但对绝大多数环境细菌的认知仍十分有限。正如近期研究表明，微生物学文献中超过半数关注的是仅仅10个细菌物种，而绝大多数细菌物种尚未被充分研究。这种认知偏差极大地限制了我们将实验室发现推广至自然界丰富微生物多样性的能力。随着不依赖培养的宏基因组学等技术发展，研究人员现在有机会将模式生物的知识与环境中巨大的未开发细菌多样性进行整合。

为了解决这一知识缺口，来自斯德哥尔摩大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。研究人员对Caulobacterales目细菌进行了全面深入的进化生态学分析，该目包含Caulobacteraceae科及其模式物种C. crescentus。研究团队收集了所有可用的高质量Caulobacterales基因组，通过95%平均核苷酸一致性(ANI)阈值将768个基因组去重复为347个物种集群，并利用72个保守的α-变形菌标记基因构建了稳健的物种系统发育树。

研究发现导致了对Caulobacterales分类学的重要修订。原本归属于Caulobacteraceae科的Aquidulcibacter、Pseudaquidulcibacter和Terricaulis等属实际上形成了一个独立的进化支系，研究人员因此提出了新科Aiquidulcibacteraceae fam. nov.。同时，将Phenylobacterium montanum重新分类为新属Poindextera gen. nov.。修订后的Caulobacteraceae科包含206个物种，其中152个尚未被描述，远比其他Caulobacterales科更为丰富。

环境分布分析揭示了Caulobacteraceae科的独特生态特征。与其他主要水生的Caulobacterales科不同，Caulobacteraceae中有相当比例(32.4%)的物种来源于陆地环境，且与植物和动物宿主相关联。特别值得注意的是，在Caulobacter属内，陆地物种的基因组大小显著大于水生物种，且编码了多种毒力和宿主定植因子，如I型、III型和VI型分泌系统以及磺酸盐转运系统ssuABC，这表明不同的Caulobacter谱系可能专门适应于植物相关或水生生活方式。

研究最引人注目的发现之一是Caulobacteraceae科中双形性生活周期相关基因的趋同丢失。C. crescentus的典型双形性生活周期包括运动性向固着性的转变以及不对称细胞分裂，这一过程由复杂的基因网络调控，其中许多与信号分子环二鸟苷酸(c-di-GMP)密切相关。研究人员发现，两个独立的进化谱系——Phenylobacterium immobile和新属Acaudatabacter（意为"无尾细菌"）的大多数成员——完全缺失了鞭毛运动、趋化性和极性附着相关基因。

更令人惊讶的是，这些基因组还缺失了26个与双形性发育相关的调控因子，这些因子在其它Caulobacteraceae中高度保守。通过延时显微镜观察，研究团队证实P. immobile确实以对称方式繁殖，子细胞在大小和分裂时间上均对称，这与C. crescentus的不对称分裂形成鲜明对比。这一发现提供了首例明确证据表明，一个具有专性双形性生活周期的谱系已逆转为更简单的单形性生活周期，揭示了细菌双形性进化的可逆性。

研究还探讨了C. crescentus其他特征的进化历史。弯曲细胞形态的确定蛋白crescentin(CreS)和S层蛋白RsaA在Caulobacteraceae中的分布有限，且在其他Caulobacterales科中完全缺失。系统发育分析表明，crescentin可能起源于噬菌体尾部长度调控蛋白，其在细菌中的分布仅限于Hyphomicrobiales目和Caulobacteraceae科。实验证实，Chelatococcus reniformis的crescentin同源蛋白能在C. crescentus的ΔcreS突变体中诱导细胞弯曲，表明crescentin介导的细胞弯曲功能在Caulobacteraceae之外也存在。

另一个意外发现是Caulobacterales目中光养潜力的广泛存在。约10%的Caulobacterales物种代表基因组含有II型不放氧光合作用基因，包括反应中心亚基(pufLMH)、光捕获复合物I亚基(pufAB)和细菌叶绿素生物合成酶。这些光养物种分布在该目的所有科中，包括16个属，其中多数为未培养物种。特别值得注意的是，三个推测为单形的Acaudatabacter物种不仅含有光合系统基因，还具有核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO，cbbLS)和完整的卡尔文-本森-巴斯汉(CBB)循环基因，表明它们可能具有光自养潜力，而不仅仅是光异养。

研究人员通过分析来自分层淡水体的宏基因组数据，发现这些Acaudatabacter物种在氧跃层下方最为丰富，这是不放氧光养菌的典型分布模式。然而，在某些情况下，它们也在含氧上层中丰度较高，表明它们可能是兼性需氧菌。尽管缺乏鞭毛基因，但这些物种可能通过菌毛介导的细胞聚集来调节浮力，从而在水体中主动定位。

主要技术方法包括：从公共数据库获取Caulobacterales基因组并进行质量控制；使用宏基因组组装基因组(MAGs)和分离株基因组；系统发育分析采用最大似然法；基因注释使用KEGG和eggNOG数据库；通过延时显微镜观察细胞分裂；基因组比较分析识别基因缺失模式；淡水微生物组数据分析物种分布。

更新Caulobacterales物种系统发育研究通过构建全面的物种系统发育树，重新定义了Caulobacterales目的分类框架，揭示了先前未描述的多样性，并提出了新的分类学修订。

环境分布特征分析表明Caulobacteraceae科与其他Caulobacterales科在生态分布上存在显著差异，特别是其对陆地环境和植物关联的适应性，以及基因组大小与生活方式的关联。

双形性相关基因的趋同丢失研究发现两个独立谱系中与细胞双形性相关的基因模块大规模丢失，包括运动性、极性和发育调控基因，并通过实验证实了P. immobile的对称繁殖模式。

crescentin和S层的有限分布研究揭示了C. crescentus特征性形态决定因子crescentin和S层在Caulobacterales中的有限分布，并探讨了crescentin可能的噬菌体起源。

光养潜力的广泛存在研究意外发现光养基因在Caulobacterales中广泛存在，并首次报道了具有光自养潜力的Acaudatabacter物种，其独特的生态位可能与其代谢能力相关。

本研究通过对Caulobacterales目细菌的系统进化生态学分析，极大地拓展了对这一环境广布细菌类群的认识。研究不仅揭示了分类学和生态分布上的新见解，更重要的是发现了细菌生命周期复杂性演化的新模式——双形性生活周期可逆地演变为单形性周期。这一发现为了解细菌发育复杂性的选择优势和劣势提供了独特视角。同时，光养潜力在Caulobacterales中的广泛存在挑战了我们对这一目细菌代谢能力的传统认知，特别是具有光自养潜力的Acaudatabacter物种的发现，表明这类细菌可能在淡水生态系统的初级生产中扮演着此前未被认识的角色。该研究成功地将模型生物的知识与自然环境中的微生物多样性相整合，为理解原核生物特征进化提供了新范式。