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本文揭示细菌染色体杂合性可增强适应性可塑性，助其在抗生素环境中生存，意义重大。
细菌染色体杂合性在抗生素抗性中的作用及机制
在微生物的世界里，细菌的生存策略一直是科学家们关注的焦点。多数细菌细胞通常仅含有一条染色体，但也有部分细菌是天然多倍体，携带多条染色体，这些染色体可能相同，也可能不同，后者会产生细菌杂合性。尽管真核生物中杂合性的益处已被深入研究，但在细菌中的相关影响却鲜为人知。本文通过研究细菌染色体杂合性在抗生素抗性中的表现，为理解细菌的生存机制打开了新的窗口。
一、研究背景
细菌的多倍体现象并不罕见，在许多细菌物种中都能观察到，如Buchnera aphidicola、Deinococcus radiodurans和Vibrio cholerae等。多倍体使得细菌细胞内染色体数量增加，而染色体的异质性又进一步导致了细菌杂合性的产生。这种杂合性类似于多拷贝质粒中不同拷贝的等位基因异质性所带来的多样性。多拷贝质粒在细菌应对压力和竞争时能加速适应，帮助细菌在波动的环境中生存，但同时也会给宿主细胞带来代谢负担。相比之下，细菌染色体多倍体和杂合性的进化后果却知之甚少。
L - 型细菌是一类缺乏刚性细胞壁的细菌，其细胞增殖方式特殊，染色体分离不受调控，细胞体积和染色体拷贝数差异很大。而且，L - 型细菌可以发生细胞融合，这些特性使得它们成为研究细菌染色体杂合性的理想模型。研究人员利用来自放线菌Kitasatospora viridifaciens的 L - 型细菌，构建了携带不同耐药和荧光标记的染色体组合，以探究细菌染色体杂合性在抗生素抗性中的作用。
二、实验方法
研究人员对K. viridifaciens的 L - 型细菌进行基因改造，构建了四种菌株：AG（对阿普拉霉素耐药且表达 EGFP）、AR、HG 和 HR（对潮霉素耐药且表达 mCherry）。通过 PEG 诱导转化将携带标记组合的质粒导入 L - 型细菌，筛选得到相应的转化子。利用 PEG 介导的细胞融合技术将 AG 和 HR 融合，获得了杂合（Het）菌株，该菌株在同一细胞内含有两种不同类型的染色体。同时，通过连续转化野生型K. viridifaciens L - 型细菌，使所有标记都整合到一条染色体上，得到重组（Rec）菌株。
为了研究不同菌株在抗生素环境中的生长和生存情况，研究人员进行了一系列实验。在最低抑菌浓度（MIC）量化实验中，将 AG 和 HR 的单培养物在含有不同浓度抗生素的平板上培养，通过计数菌落形成单位（CFU）来确定 MIC。在竞争实验中，将亲本菌株（AG 或 HR）与重组菌株按不同比例混合，在无抗生素选择的培养基上培养，通过分析荧光图像来追踪亲本菌株和重组菌株的比例变化。在细胞生长实验中，测试了融合菌株和混合菌株在不同抗生素浓度（0、?、?、1 和 2x MIC 的阿普拉霉素和潮霉素）下的生长情况，同样通过 CFU/ml 来量化生长情况，并对单个菌落进行显微镜分析。
此外，研究人员还利用显微镜和图像分析技术观察菌株的荧光标记表达情况，通过定量 PCR 来估计染色体比例，以及在抗生素浓度梯度实验中观察菌株的生长和荧光变化。
三、实验结果
- 表型特征：改造后的菌株表现出预期的抗性表型，阿普拉霉素抗性菌株对潮霉素的 MIC 为 3.1 μg/mL，潮霉素抗性菌株对阿普拉霉素的 MIC 为 1.6 μg/mL，且两种菌株在同时含有两种抗生素的培养基上均不能生长。在不同抗生素处理下，混合种群在无抗生素时呈现两种荧光颜色的斑块，在单一抗生素存在时表现为单一荧光标记的单形种群，而在两种抗生素同时存在时则无法生长。杂合菌株和重组菌株在所有抗生素处理下均能生长，杂合菌株在无选择压力时会出现 EGFP 和 mCherry 的斑块或区域，在单一抗生素选择时会偏向表达一种荧光标记，重组菌株则在所有条件下都有较高的荧光标记共定位。
- 杂合细胞的生存优势：杂合细胞在各种抗生素浓度下都能良好生长，相比混合种群，具有显著的生长优势。在高于和低于 MIC 的单抗生素和双抗生素暴露条件下，杂合细胞的 CFU 数量都明显高于混合种群，且在 MIC 及以上浓度的两种抗生素存在时，杂合细胞仍能生长，而混合种群则生长受限。重组菌落虽然也能在所有抗生素浓度下生长，但与杂合菌落相比，其生长的空间均匀性较差。
- 抗生素抗性的成本：重组菌株由于在一条染色体上持续表达两种标记，存在显著的代谢成本。与亲本菌株竞争时，重组菌株会被迅速淘汰，无论初始比例如何。而杂合细胞可以通过灵活调整染色体（抗性等位基因）比例来减轻这种成本，在不同抗生素浓度下，杂合细胞中的抗生素抗性基因频率会发生变化，以适应环境压力，且在高浓度抗生素处理下仍能维持两种抗性基因。
- 染色体频率的动态变化：在具有相反抗生素梯度的环境中，杂合细胞能够根据抗生素浓度的变化动态调整染色体比例。接种 3 天后，杂合细胞的荧光强度与药物暴露水平相对应，但 15 天后，随着抗生素浓度的扩散变化，荧光表达也发生相应改变，且双标记细胞的比例在同时暴露于两种抗生素的区域增加。而混合种群在 15 天内因药物扩散而生长停滞，重组细胞虽然能生长，但标记表达不受抗生素梯度影响。
四、研究结论
本研究表明，细菌染色体杂合性能够使细胞在更广泛的抗生素浓度范围内存活，这得益于杂合细胞中两种抗性基因的持续存在。杂合细胞还可以通过灵活调整抗性基因的频率来减轻抗生素抗性的成本，这种调整在静态和动态的抗生素环境中都能快速发生。细菌染色体杂合性带来的适应性可塑性类似于多拷贝质粒在细菌中的作用，为细菌在波动的环境中提供了一种重要的生存机制。
然而，细菌染色体杂合性的益处并非在所有条件下都稳定存在，可能具有短暂性。在抗生素暴露期间，染色体拷贝数可能会迅速变化，但由于细胞分裂时染色体的不平等分离，染色体可能会丢失。在 L - 型细菌中，虽然细胞融合可以重新创建杂合谱系，但目前尚不清楚自然多倍体物种中是否存在确保染色体可靠分配或维持拷贝数的机制。
总体而言，本研究揭示了细菌染色体杂合性在抗生素抗性中的重要作用，为进一步理解细菌的适应性和进化提供了新的视角。未来，需要在相关系统和自然多倍体细菌物种中开展更多研究，以确定这种现象在微生物群体和不同环境中的普遍性。
