温度适应性驱动根瘤菌生物地理分布的新证据：基因组与表型综合分析

《Microbial Ecology》：Biogeographic and Genomic Signatures of Thermal Adaptation in Facultative Symbionts

本研究针对兼性共生微生物地理分布格局的驱动机制问题，以蒺藜苜蓿(Medicago lupulina)的根瘤内共生菌——中华根瘤菌属(Sinorhizobium)和剑菌属(Ensifer)为研究对象，通过比较基因组学与生长实验，揭示了温度耐受性差异是导致S. meliloti在温暖地区、S. medicae在凉爽地区分别占主导的关键因素。研究证实了自由生活阶段的代谢限制（如热耐受）对区域分布的重要影响，而局部种群结构则受基因流限制（距离隔离）的塑造，为理解微生物适应性进化提供了新视角。

　　

在微生物生态学中，一个核心问题是：什么因素决定了那些能在宿主内外“双栖”生活的兼性共生微生物的分布范围？它们既要适应宿主内的特定环境，又要在土壤等自然环境中独立生存。对于与豆科植物共生的根瘤菌而言，传统观点多聚焦于其与宿主植物的协同进化关系。然而，越来越多的证据表明，这些细菌在自由生活的腐生阶段所面临的环境选择压力，可能才是制约其地理分布的关键。特别是温度，作为一种基础且多变的环境因子，如何影响根瘤菌的适应性并最终塑造其生物地理格局，仍是一个有待深入探索的领域。

发表在《Microbial Ecology》上的这项研究，以广泛分布的豆科植物蒺藜苜蓿(Medicago lupulina)的根瘤内共生菌为模型，巧妙地从两个具有显著热差异的区域（较温暖的宾夕法尼亚州和较凉爽的弗吉尼亚州）采集样本，通过对38株中华根瘤菌属(Sinorhizobium)和剑菌属(Ensifer)菌株进行生长能力测定和基因组特征分析，揭示了温度适应性在驱动这些兼性共生菌区域分布中的核心作用。

为开展研究，作者团队运用了几项关键技术：从蒺藜苜蓿根瘤中分离纯化根瘤菌株；通过实验室生长曲线测定（25°C, 30°C, 35°C, 40°C）评估菌株的热耐受表型；利用长读长测序技术进行菌株基因组从头组装，并通过比较基因组学分析（包括泛基因组分析、系统发育重建、平均核苷酸同一性(ANI)物种鉴定）探究核心基因组与附属基因组的变异；采用距离隔离分析评估地理距离与基因组分化（基于核心基因单核苷酸多态性(SNP)和附属基因含量）的相关性。

Sinorhizobium meliloti在宾夕法尼亚州更常见；S. medicae在弗吉尼亚州占主导

研究人员首先比较了采样点（宾州8个站点，弗州7个站点）在采样季节（2022年7月至9月）的日最高温度，确认宾州站点的平均日最高温度比弗州站点高4.8°C。对分离出的38株菌进行基因组鉴定后，发现其分为两大支：35株Sinorhizobium（包括22株S. meliloti和13株S. medicae）和3株Ensifer。物种分布呈现明显的区域特征：S. meliloti在较温暖的宾州采样点更常见，而S. medicae在较凉爽的弗州地区占主导。所有3株Ensifer菌株均只从弗州的凉爽采样点分离得到。

热耐受性在Sinorhizobium物种间存在差异

生长实验结果表明，物种间存在特异性的热响应。在25°C和30°C下，Ensifer菌株的生长速率高于Sinorhizobium菌株，但在35°C和40°C下，这种差异消失。关键发现是，在40°C高温下，S. medicae和Ensifer菌株在48小时后几乎不生长，表现出对高温的不耐受；而S. meliloti在40°C下仍能维持生长，尽管速率有所降低。总体而言，S. meliloti在整个测试温度范围内表现出比S. medicae更高的生长速率、更短的延滞期和更高的产量，这种差异在40°C时尤为显著。这些发现与观察到的生物地理格局一致：S. meliloti在较暖地点更常见，而S. medicae在较冷地点更常见。

S. medicae和S. meliloti的对比基因组特征

泛基因组分析共识别出3741个核心基因，约占全部16135个基因的23.2%。基于2929个单拷贝核心基因的系统发育分析和基于附属基因含量的层次聚类分析均揭示了与物种鉴定一致的两个主要分支。两个Sinorhizobium物种的核心基因和附属基因比例相近，且均表现出相对封闭的泛基因组。进一步分析发现，两个物种在45个与热耐受相关的功能基因组成上存在显著差异。其中，recA、uvrD和dnaE2这三个基因共同解释了45.1%的变异：recA在S. medicae中富集，而uvrD和dnaE2在S. meliloti中富集，提示它们可能是导致两物种热耐受性差异的潜在选择靶点。

基因流在宾州站点间的限制比在弗州站点间更强

对区域内种群结构的分析表明，来自同一采样点的菌株倾向于在系统发育树和附属基因组聚类中聚在一起。距离隔离分析显示，在宾州占主导的S. meliloti种群中，无论是基于核心基因SNP还是附属基因含量，均检测到显著的距离隔离模式，表明该区域内基因流动受限。相比之下，在弗州占主导的S. medicae种群中，未检测到任何复制子上存在显著的距离隔离。这意味着弗州的S. medicae种群可能因基因流动而更趋同质化，而宾州的S. meliloti则表现出更强的空间遗传结构。

研究结论与讨论部分强调，这项工作通过结合表型分析与基因组学方法，揭示了非生物环境因子（特别是温度）在塑造兼性共生微生物生物地理分布中的重要作用。实验室生长实验明确显示S. meliloti比S. medicae和Ensifer物种具有更高的热耐受性，这与菌株分离源地的热环境特征相符，支持了区域尺度上热局部适应的存在。比较基因组学分析进一步指出了recA、uvrD和dnaE2等与DNA修复和应激诱导突变相关的基因可能是热适应差异的遗传基础。而在更局部的空间尺度上，种群分化则呈现出距离隔离模式，尤其是在宾州的S. meliloti中，这表明在区域内部，有限的基因流（可能受生境片段化等因素影响）是塑造局部种群结构的主要力量。该研究不仅增进了我们对根瘤菌生态与进化的理解，也为预测微生物群落对未来气候变化的响应提供了重要的理论基础。它突出表明，要全面理解兼性共生菌的分布，必须充分考虑其自由生活阶段所面临的环境选择压力。