原核生物多细胞性的结构与演化：共同模式与多样性

《Molecular Microbiology》：Architecture and Evolution of Prokaryotic Multicellularity: Common Patterns and Diversity

　　

原核生物在自然与实验条件下均可形成多细胞结构，其发育过程有时与已知的真核生物发育过程相似。近期研究日益关注细菌多细胞组织的机制及其演化起源。本综述首先讨论群体形成方式，即克隆型或聚集型，并说明原核系统中的混合策略如何使这一划分复杂化。随后综述细菌多细胞结构以及在已知情况下古菌的多细胞结构，重点关注不同物种间发育动态的共同模式与差异，并强调其与真核组织及个体化组织的"柔性"相似性。接下来讨论原核生物多细胞性经典标志背后的分子与细胞机制。最后，结合实验、计算与比较方法，讨论原核生物多细胞性演化的近期研究。研究原核生物多细胞性的具体形式，而非局限于简化描述（聚集型与克隆型），对于理解其复杂性及其对微生物生态学、生物地球化学循环以及细菌自身演化的影响是必要的。多细胞性在细菌中的普遍性以及来自古菌的新兴证据提示，最后普遍共同祖先（LUCA）可能已具备多细胞性状，表明多细胞性可能是生命的一项祖先特征。正在形成的图景是：细菌多细胞性仅部分符合真核生物模型，而是反映出多个独立的演化起源以及显著的再生与发育程序多样化能力。

1 引言

多细胞生物自单细胞祖先的起源是生命的一项重大演化转变。多细胞性在细菌中独立演化多次，在古菌中亦广泛存在，但其起源尚不清楚。这一新的生物组织层次使新功能、复杂性增加以及表型范围扩展成为可能。解释当今生物圈多样性需要理解导致多细胞性的分子机制（如何）与选择优势（为何）。自Robert Koch以来，细菌长期被视为典型的单细胞生物；随着生物膜与群体感应研究、单细胞表型异质性研究以及组学与系统发育基因组学的发展，多细胞性已被认识到广泛分布于细菌生命树并存在于古菌中。本综述整合近期实验证据与模型，突出原核生命多细胞性的多样性与共同模式。首先综述原核生物形成多细胞群体的方式——克隆型、聚集型或更常见的混合策略，并介绍其主要架构：生物膜、丝状体、自由漂浮聚集体、子实体与运动性集体。随后将源自真核生物的多细胞性词汇用于界定原核生物的发育要求，包括细胞黏附、细胞间通讯、细胞间协调、功能多样化与分工以及程序性细胞死亡（PCD）。全文以这些标志识别原核生物多细胞性——它们在细菌与古菌中以不同程度和组合表达。继而整合关于原核生物多细胞性演化的环境、生物与发育驱动因素的现有证据，并提出开放问题与概念空白。贯穿这些系统的若干共同线索是：多细胞发育的遗传工具包高度保守且演化古老，但多细胞性在不同谱系中独立且反复演化，常趋同于相似架构；它也可在实验选择下快速演化，其出现常取决于环境条件。文中聚焦单物种多细胞群体，以对应"多细胞性"的经典用法；在展望中讨论多物种集合体以及多细胞个体性能否跨物种延伸的演化问题。

2 原核生物群体形成方式

2.1 聚集型多细胞性

聚集是自由生活细胞聚在一起形成多细胞群体的过程，通常响应外部条件变化而发生，是适应动态环境的快速方式。通过聚集，细胞可形成保护性结构或产生孢子以增强存活与扩散。研究最充分的细菌聚集型多细胞性例子是黄色黏球菌（Myxococcus xanthus）：营养缺乏时，运动细胞聚集形成子实体，部分细胞分化为抗性孢子。由于这些群体常含遗传混合细胞，一种分子"握手"机制通过遗传多态的受体TraA及相关蛋白TraB进行外膜组分（尤其脂蛋白）交换，帮助其进行亲缘识别；该过滤并不完美，允许一定基因组多样性，可能包括"欺骗者"，但这种宽容性或有助于达到有效群体形成所需的临界量。类似策略亦见于真核生物，如纤毛虫与社会性阿米巴盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum），表明聚集在多样谱系中独立演化。在真核生物中，聚集型多细胞性可能反映细胞与个体之间复杂性分配的差异：聚集型细胞在自由生活状态须保持自主性，故相对复杂，其形成的多细胞结构则相对简单；而专性多细胞形式以整合集体方式生存与运作，这由功能特化与单细胞复杂性降低所支持。这提示专性多细胞性的演化涉及从复杂细胞的简单群体向简单细胞的复杂群体的转变。这一启发式是否适用于原核生物尚不清楚；尽管细菌细胞可表现出精细的感知、通讯与调控记忆能力，这些能力尚未在聚集型与克隆型系统间与群体层面组织进行系统比较。

2.2 克隆型多细胞性

克隆型多细胞性指由单细胞孢子或合子来源的细胞在细胞分裂后保持联合而形成多细胞群体，因此形成克隆型多细胞生物需数个细胞世代。克隆型多细胞性见于原核与真核生命形式，从丝状细菌到高度特化多样的植物与动物。丝状细菌如放线菌及部分蓝细菌可能是地球上最早的真正多细胞生物及最早发生细胞分化的生物。在克隆型多细胞性中，相邻细胞在遗传与空间上耦合；这种物理连续性产生空间相关性，演化可利用其构建协调的分化与分工。例如在丝状蓝细菌中，连续的周质空间连接相邻细胞，允许支持发育模式化的营养与信号交换。

2.3 混合克隆-聚集型多细胞性

尽管常区分聚集型与克隆型多细胞性，这些形式与过程并非总是互斥。最突出的例子是原核生物膜，其始于单个或少数初始细胞在表面聚集，但通过反复细胞分裂发展。细菌与古菌中的突出例子包括枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、大肠杆菌（Escherichia coli）、火山盐红菌（Haloferax volcanii）与酸热硫化叶菌（Sulfolobus acidocaldarius）。由于生物膜可能是细菌与古菌界中最广泛的多细胞结构，混合克隆-聚集型多细胞性可能是地球上主要的多细胞组织形式。如同原核生物，真核生物中的混合克隆-聚集型多细胞组织常涉及初始聚集阶段随后克隆和/或聚集扩展，如某些棕榈藻类绿藻、硅藻群体、卵菌或真菌生物膜/球状体，甚至某些刺胞动物及其他嵌合动物。近期发现领鞭虫Choanoeca flexa通过连续细胞分裂、聚集或二者兼有形成多细胞片状结构。这些案例挑战了两种群体形成模式间的截然区分，但混合群体形成模式的演化动态仍研究不足。

3 原核生物多细胞结构

原核生物多细胞性以多种形式存在，通过发育过程产生并适应生物环境。跨这些形式，多细胞性源自包括黏附、细胞间通讯、空间分化、分工与程序性细胞死亡的工具包，并受环境线索调控。依据架构可分为表面相关生物膜、丝状体、自由漂浮聚集体、柄/子实体与运动性集体。这些结构类别并非互斥，许多原核系统可在多种形式间转换或同时表现多种特征。

3.1 生物膜

生物膜是由原核细胞聚集起源、经细胞分裂扩展并分泌胞外基质以促进表面附着并保护其免受外部扰动影响的结构化种群。据估计40%–80%的原核细胞生活在生物膜中，细菌与古菌中该生活方式的证据可追溯至32–34亿年前，使生物膜成为地球上最古老且最占优势的生命形式之一。典型生物膜发育序列始于表面附着与初始基质产生；生物膜架构源于机械相互作用、群体感应等细胞间通讯与基因调控的相互作用。这些过程协调进一步基质产生、细胞分化与分工，利用环境与自生成分子梯度指定位置信息。在营养耗竭或其他胁迫下，部分细胞激活分散程序，降解基质并释放运动后代。这些过程共同构成细菌发育过程；其部分动态已用真核发育概念解释，如分割样时钟与全生物膜昼夜振荡器。生物膜可由表面附着或悬浮细胞聚集播种，表面附着可由单个运动细胞或先于悬浮中形成的聚集体沉降起始；许多物种如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）二者皆可。胞外基质精确组成亦取决于物种；其主要组分胞外多糖如纤维素、PNAG、Pel与藻酸盐通过零散分布于细菌物种的生物合成途径产生，单个基因组常以不同组合编码若干此类系统，使细菌能通过调整基质组成响应环境线索。生物膜在产生多少细胞类型及其空间排列上也可不同。枯草芽孢杆菌生物膜分化程度最高之一，含至少五种细胞状态，包括运动型、产基质型、产孢型、感受态与同类相食型细胞，这些状态在空间上有序。铜绿假单胞菌蘑菇状生物膜则在其生命周期中产生三至四种细胞表型。细胞形态的调控变化也可为生物膜发育的一部分。古菌生物膜形成研究不如细菌广泛，但古菌中亦发现类似复杂的生物膜形成与细胞特化模式。火山盐红菌可形成与枯草芽孢杆菌和大肠杆菌结构基质组分相似的生物膜，以及形态改变提示细胞分化的亚群。嗜热古菌硫化叶菌属（Sulfolobus）可聚集并产生胞外聚合物以响应温度降低或铁减少与中性pH组合。更广泛地，胞外基质组成在古菌物种间变化，提示复杂的物种特异性发育途径仍仅部分被理解。生物膜发育也与真核多细胞性有显著平行；酵母与丝状真菌形成结构上类似细菌生物膜，包括基质产生与形态分化。从功能角度看，原核生物膜类似动物上皮等真核组织，形成保护内部环境免受化学与物理胁迫的机械屏障；在原核生物膜中，该屏障功能通过空间结构化、具不同组成分层的胞外基质实现，提供组织样弹性与机械稳定性。类似真核发育，基因调控、机械相互作用与细胞间通讯共同组织生物膜形成；在此意义上，原核发育驱动这些多细胞结构的形成。

3.2 丝状体

丝状细菌通过克隆生长形成线性或分支细胞链。丝状体形成可由顶端生长与分支驱动，如形成菌丝体的链霉菌属（Streptomyces），或由分裂细胞在隔膜处保持连接所致，如链球菌属（Streptococcus）。部分谱系包括丝状蓝细菌与放线菌在营养生长期间为专性丝状，并产生繁殖体或孢子用于扩散或繁殖。在鱼腥藻（Anabaena）与念珠藻（Nostoc）等蓝细菌中，细胞分裂而无物理分离，形成遗传一致的链，其中连续周质空间与隔膜连接允许代谢物与信号交换；这种克隆发育模式允许分化为至少四种时空组织的细胞类型：光合营养细胞、固氮异形胞、休眠厚壁孢子与运动藻殖段。在氮限制下，营养细胞分化为异形胞，实现氧敏感固氮与产氧光合作用间的分工。链霉菌形成两种丝状体：初始基质菌丝体通过顶端延伸形成网络长入周围基质；营养耗竭或其他信号下，其竖起气生菌丝，分隔成单核孢子链以扩散，同时产生抗生素。许多微生物物种作为条件性事件发生丝状化，以响应温度与pH变化、高渗透压、抗生素或紫外线暴露或饥饿等环境胁迫；此时细胞分裂短暂停止而细胞生长继续。条件性丝状化常涉及抑制细胞分裂机器组装。古菌中亦观察到丝状体，但其发育的分子机制仍知之甚少。产甲烷菌Methanothrix soehngenii形成由规则间隔隔膜分隔的杆状细胞鞘状链。这些丝状体可长达数百微米，具特征性竹样外观，并可进一步束集成更大缆状聚集体。近期发现盐古菌属Actinarchaeum若干物种发育基质与气生菌丝体并分化为孢子，其生命周期类似链霉菌。尽管将丝状体视为不同于生物膜，实践中这些类别常重叠；密集丝状体网络可产生类似表面附着生物膜的黏性、富基质支架。这种趋同延伸至原核生物之外：丝状真菌同样形成含胞外基质的生物膜，丝状微藻如黄丝藻（Tribonema）可聚集成单克隆与混合物种垫。

3.3 自由漂浮聚集体

自由漂浮聚集体是不附着表面的原核细胞群体。其形成与维持受发育调控，在许多物种中形成由细胞密度或营养胁迫触发。聚集可由自我识别的表面黏附素、菌毛或胞外多糖介导。自由漂浮聚集体范围从小的、高度组织的球体到大的松散连接混合物种结构。如同生物膜，它们可增加抗生素耐受/抗性与抵御捕食者保护，但其在水环境中的悬浮也使其可被流或其他机械力被动运输。自由漂浮聚集体广泛分布于系统发育与生理多样的细菌中，其形成可由专门发育途径控制。在铜绿假单胞菌中，它们作为表面附着生物膜的前体；在链霉菌中，其在液体培养中通过聚集与破碎的动态循环形成；蓝细菌Trichodesmium主动调控运动性以控制聚集体架构。聚集也可增强代谢过程。在Trichodesmium中，聚集创造氧降低且扩散减慢的微区，允许比丝状体更高的N₂固定效率。类似地，Nostoc pruniforme群体可长成厘米级球形结构并集体固氮，尽管该尺寸限制群体内部光与无机碳可用性。海洋细菌Vibrio splendidus形成克隆簇以降解藻酸盐，同时在静止外壳与运动储碳核心间表现明显分工。多细胞趋磁细菌（MMB）是自由漂浮聚集体的显著例子，其联合体为专性多细胞且似乎缺乏单细胞阶段。这些生物形成紧凑球形至椭球形结构，依物种含15至逾百个细胞。聚集体沿磁场迁移并显示细胞间非均匀代谢活动，提示初步分工。它们通过先倍增细胞数再分裂为两组繁殖；尽管该繁殖模式提示强克隆性，MMB联合体遗传异质，每组SNP比克隆对照多两个数量级。这提出遗传混合谱系如何在看似不纳入新细胞而繁殖的群体内持续的问题。因此，自由漂浮聚集体是具受调控形成与发育的结构化、功能性多细胞状态；在此方面类似多细胞真核生物的早期胚胎类器官，细胞自组织成含特化细胞类型的圆形多细胞结构，实现单细胞单独低效或不可能实现的集体功能。

3.4 柄/子实体

微生物柄与子实体是由群体构建的结构，通常通过产孢促进繁殖，响应胁迫或作为发育周期一部分。其形成需要细胞分化，并伴随细胞增殖与伸长（如链霉菌）或细胞聚集。黄色黏球菌及其他黏细菌是细菌子实体产生者的突出例子。在黄色黏球菌中，饥饿与群体密度触发严格调控的发育响应：外周细胞继续向外觅食，中央细胞开始聚集并竖起宏观丘状结构。此处物种特异性群体感应信号（A信号）监测群体密度并起始分化。生长丘内细胞随后或分化为黏孢子，或保持原形态作为外周"持留细胞"形成子实体基部，或经历程序性细胞死亡（PCD）释放营养供其他发育细胞。第二接触依赖性信号因子C信号以浓度依赖方式驱动子实体内聚集与分化。这些树状结构的演化可能因多种原因有利，包括将孢子定位/集中于一处以促进群体扩散、通过嵌入胞外基质或孢子囊增强对外部因素抗性，甚至优化孢子成熟。目前无古菌子实体形成的证据。子实体构成多细胞生命的另一反复主题，即利用升高将繁殖体与亲本群体分离，以助扩散或存活。在黏菌、真菌与植物中，类似原理在更大尺度上被利用。

3.5 运动性集体

原核集体在表面移动以迁移、觅食或与其他微生物竞争，利用鞭毛进行群游或菌毛进行蹭行与滑行运动等专门结构。群体运动常被视为行为而非多细胞结构，但在许多物种中运动性集体满足多细胞性标准：黏附、通讯、协调、分工，以及某些情况下的PCD。在奇异变形杆菌（Proteus mirabilis）中，群体扩展由营养细胞分化为伸长、超鞭毛化的群游细胞驱动；这些形成多细胞筏集体在表面迁移。群游与巩固期交替，在固体表面产生特征性同心牛眼图案，并与尿路定植相关。在其营养期，黄色黏球菌细胞在运动群中合作捕猎。细胞通过IV型菌毛与焦点黏附相互黏附，同时对分泌的多糖黏液施力以形成黏性群体。在枯草芽孢杆菌与铜绿假单胞菌中，表面活性素或鼠李糖脂等生物表面活性剂的分泌促进跨表面集体运动；这些系统中群体扩展由产表面活性剂细胞与运动细胞间的分工支持。PCD可促进集体表面扩展；在铜绿假单胞菌生物膜中，亚群的爆发性裂解释放胞外DNA，帮助组织细胞移动所经基质。这些系统的共同特征是集体运动是多细胞发育的受调控阶段，有助于群体扩展、架构与功能。古菌中集体运动了解较少，但许多物种拥有"古菌鞭毛"（archaella），与IV型菌毛相关的鞭毛样结构，参与游动、表面附着与细胞间通讯。在静态液体培养中破坏火山盐红菌生物膜后，观察到细胞迅速再聚集，与集体运动一致。硫化叶菌利用可伸缩菌毛进行单细胞蹭行运动与细胞间相互作用，但这些行为是否产生集体迁移目前未知。集体运动与多细胞组织间的联系在真核黏菌盘基网柄菌中已充分建立，从蛞蝓体迁移到子实体形成。集体细胞迁移也是多细胞发育的反复主题，例如脊椎动物胚胎发生中神经嵴细胞迁移。上述细菌例子将该联系延伸至真核生物之外，既作为多细胞性的选择驱动因素，也作为群体生活的结果。

4 原核生物多细胞性的分子标志

4.1 细胞黏附

原核生物采用多样但反复出现的一组机制相互黏附。生物膜中近乎普遍的特征是胞外聚合物（EPS）的产生与分泌，即由多糖、蛋白质与胞外DNA组成的基质，将细胞彼此及与表面结合。在枯草芽孢杆菌中，胞外多糖与淀粉样纤维TasA构成该黏附支架核心。大肠杆菌生物膜同样依赖由卷曲淀粉样纤维与修饰纤维素组成的胞外基质，共同产生细胞黏附与多细胞群落的稳定性。第二机制依赖表面结合黏附结构。细胞壁锚定蛋白、菌毛与纤毛介导细胞间及细胞-表面附着（如铜绿假单胞菌、奈瑟菌属与黏细菌中的IV型菌毛），从而支持集体（蹭行）运动、表面定植与社会性聚集。古菌中古菌鞭毛与hami等外部丝状体执行相同功能。第三机制是细胞分裂后物理连接的维持。丝状蓝细菌采用此策略：不完全胞质分裂后，相邻细胞通过隔膜连接保持相连，提供强机械连接并实现受调控的细胞间交换以协调代谢活动。在电缆细菌中，细胞亦由隔膜连接相连，丝状体额外被连续细胞包膜包围，含导电丝以支持厘米级电子传递。链霉菌以不同方式维持细胞间物理连接：菌丝通过顶端生长延伸，形成长多核区室保持胞质连续，仅间歇被不完全分隔细胞的横壁细分。因此，丝状体凝聚是生长模式的内在结果；仅在后期发育阶段产孢时，规则分隔才产生离散孢子。

4.2 细胞间通讯

黏附有助于在生物膜、丝状体与聚集体中形成稳定物理邻域，为长程与短程信号交换提供可靠平台。长程通讯通常通过群体感应（QS）回路协调，经可扩散自诱导物调控密度依赖性基因表达。革兰阴性物种通常依赖小分子如酰基高丝氨酸内酯（如铜绿假单胞菌）或霍乱弧菌中的吡嗪衍生物DPO，而革兰阳性细菌常用寡肽或内酯修饰肽由双组分系统检测。由数百种细菌合成的信号分子AI-2将这种协调扩展至跨物种，因此被认为介导种间通讯。相反，短程通讯依赖直接细胞间接触或信号分子的受限扩散。在黏细菌中，基于细胞表面蛋白的接触依赖性信号（C信号）对齐细胞行为并协调子实体发育。蓝细菌则利用隔膜连接在相邻细胞间进行受调控分子交换，形成控制丝状体空间模式化的肽梯度。来自长程与短程信号通路的信息通过胞内调控网络整合。主要整合者是环二鸟苷酸（c-di-GMP），一种胞内第二信使，调控运动、附着与产基质状态间的转换并同步分化程序。QS回路在物种间变化并反映生态与生活方式差异，而c-di-GMP信号在细菌中广泛保守；这种保守性可能由于系统模块性，新感觉输入与下游效应器可容易连接至现有c-di-GMP网络。依生物不同，它调控EPS产生、运动性、细胞周期进程或细胞分化等过程。部分产甲烷与嗜盐古菌产生群体感应样信号分子。在火山盐红菌中，分泌的密度依赖性信号诱导从运动细胞向非运动细胞转变。然而，尽管存在类似核苷酸，古菌中未鉴定出与c-di-GMP同源的第二信使系统，暗示古菌通过独特且仍大多未表征的机制调控生物膜发育。

4.3 协调行为

在多细胞组装体中，协调行为源自整合细胞间信号与环境线索以协调跨细胞基因表达的调控网络。在链霉菌、枯草芽孢杆菌与大肠杆菌中，sigma因子与转录调控因子的层级级联通过双稳态开关与随机调控动态产生基因表达空间模式。特别在枯草芽孢杆菌中，细胞状态转换由主调控因子Spo0A的磷酸化状态控制，其整合群体感应与营养相关输入，通过噪声性SinI–SinR–SlrR回路激活运动性或产基质下游效应基因。丝状蓝细菌则结合HetR调控回路中的局部正反馈与较长程抑制性肽梯度（PatS/PatX与HetN），沿丝状体产生空间周期性基因表达模式。该模式化决定细胞从营养细胞向异形胞分化的位置，其激活-抑制逻辑类似图灵模式化系统。在黄色黏球菌中，位置信息源自接触依赖性线索与局部细胞密度信号的整合，经MrpC与FruA等调控因子汇聚。古菌也利用转录调控因子网络协调生物膜发育。例如在酸热硫化叶菌中，古菌特有的Lrs14调控因子调节运动性与EPS产生。除受调控基因表达外，细菌多细胞协调可通过作为发育开关的偏倚突变事件产生。在荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）中，褶皱、形成垫的细胞通过自发突变从祖先光滑基因型产生。垫漂浮并定植富氧表面；光滑突变体在垫中反复出现并作为欺骗者，因其避免产生乙酰化纤维素基质的代谢负担；这使垫不稳定并导致其崩溃。在天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）中，不育抗生素超产生者可通过线性基因组末端的大规模不可逆染色体缺失产生，实现生殖/体细胞分工。染色体重排也驱动金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）与Burkholderia thailandensis中的多细胞动态，在嗜肺军团菌（Legionella pneumophila）生物膜中，移动元件pP36的可逆切除与再整合产生独特持留亚群。这些例子提示细菌可利用遗传不稳定性产生特化细胞状态，但其作为发育机制的作用研究不足。

4.4 细胞分化与分工

细胞分化与分工随基因调控网络将基因表达空间模式转化为特化细胞功能而产生。在形成生物膜的物种中，细胞分化通过生长、运动性、代谢交换与基质产生改变局部微环境；这些变化产生局部分子梯度并影响机械结构，进而驱动进一步分化与生物膜发育。在枯草芽孢杆菌中，运动细胞组装鞭毛并与邻居脱离，而产基质细胞抑制运动性、形成链并构建生物膜结构支架；这构成生物膜扩展与结构间的分工。在大肠杆菌生物膜中发生功能类似的分工，产基质细胞构建胞外结构，非产生者维持生长并贡献机械柔性。在丝状蓝细菌中，异形胞与营养细胞在固氮与产氧光合作用这些代谢不相容过程间分工；这些细胞沿丝状体交换固定氮与碳以耦合其互补代谢。在丝状放线菌中，细胞分配代谢与繁殖过程以协调抗生素产生与产孢：基质菌丝体分泌抗生素，气生菌丝产生生殖系样孢子。这种时空分工允许群体同时将资源分配给这些代谢昂贵过程，可能有助于保护孢子免受竞争者。黄色黏球菌细胞命运由聚集期间产生的集体迁移与位置线索决定；所得子实体空间组织化，细胞在其中分化为孢子，外周杆状细胞保持营养状态。

4.5 程序性细胞死亡（PCD）

程序性细胞死亡（PCD）常与多细胞性相关，因其反映集体功能优先于个体细胞存活。尽管长期被视为真核生物独有特征，积累证据提示受调控细胞死亡也在细菌群落中发挥重要作用，似乎协调微生物"组织"的形状与功能。在许多细菌中，PCD通过毒素-抗毒素系统调控，如大肠杆菌中的MazEF系统。在枯草芽孢杆菌中，进入产孢途径的细胞产生抗菌肽以裂解不表达相应免疫基因的易感邻居。这一现象称为"同类相食"，被认为通过释放营养延迟饥饿诱导产孢；它还释放DNA，通过调控因子comK将PCD与感受态联系起来；它也影响生物膜架构，因超同类相食与同类相食缺陷突变体均显示群体形态严重改变。PCD也在其他多细胞细菌物种中被描述，如肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）生物膜中，感受态激活裂解程序杀死非感受态细胞并释放DNA用于转化；在黄色黏球菌子实体成熟期间，大部分营养群体裂解。在链霉菌中，部分营养菌丝体的PCD是向菌丝生长发育转变的组成部分，涉及受调控蛋白水解与核酸酶活性，而蓝细菌利用类metacaspase与类orthocaspase蛋白酶进行PCD。在铜绿假单胞菌生物膜中发现一种防御性PCD形式，终末分化细胞向竞争者抗生素进行自杀性趋化，同时产生自身抗生素。在古菌中，图景较不清晰。已在多样古菌门中检测到类caspase催化活性，但在火山盐红菌中其与细胞胁迫及蛋白质稳态相关，而非专门死亡程序。类似地，许多古菌基因组含毒素-抗毒素系统或其同源物，近期在酸热硫化叶菌中的工作将VapBC4系统与生物膜形成联系起来，但并非与生物膜亚群的程序性死亡相关。

5 原核生物多细胞性的演化

微生物栖息地的物理与化学异质性创造环境生态位与胁迫。原核生物可通过演化多细胞性状响应这些，或因选择直接作用于群体特性，或作为作用于细胞性状或生态相互作用选择的副产物。一旦演化，这种多细胞组织本身可成为进一步演化的基底。因此考察多细胞组织产生、持续与继续演化的环境条件。

5.1 多细胞性的环境机会

空间异质性可提供选择多细胞性状的生态位。在前述荧光假单胞菌案例中，演化多细胞垫在静态微宇宙实验设置中具适应性，因其允许细胞定植气-液界面，那里氧可用性最高，可抵消基质产生的能量成本。黏附也可因使细胞留在有利位置而受青睐。计算模型显示，即使与复制权衡，表面附着也易演化，且一旦演化可驱动群体分化与扩散繁殖体的演化。确实，荧光假单胞菌的成垫表型也在滴灌多孔柱中演化，因其允许细胞保持附着于基质并抵抗液流。空间结构也可由水环境中悬浮有机颗粒如海洋与湖泊雪提供；细菌易在这些颗粒上聚集，成为强烈生长与代谢的焦点。除空间结构外，非生物胁迫也可驱动多细胞性状演化。经反复100天盛宴/饥荒循环后，大肠杆菌因控制这些过程的调控基因累积突变而降低运动性并增加生物膜形成。生物膜形成负调控因子fimE的功能丧失突变在种群演化早期出现，并在循环生长与存活阶段均增加适合度。这表明营养限制可选择将发育调向某表型（此处常为产基质而非运动性）的突变。空间结构与非生物胁迫可结合选择更复杂的多细胞性形式。在具有限营养与毒素的空间结构化模型中，细胞演化为随机分化为解毒者或营养加工者，形成黏性集体。这些复杂群体通过自组织内部结构增强适合度，并能够集体自我复制，尽管缺乏复杂发育调控，仍类似多细胞发育。微生物间相互作用也影响多细胞性状的演化与出现，因种群或竞争空间与资源或共生运作。当面对铜绿假单胞菌的群体感应分子时，嗜麦芽窄食单胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）以剂量依赖方式形成自由漂浮聚集体：加入更多拮抗菌株上清导致更大聚集体形成。选择非聚集浮游细胞后，发现Smf-1纤毛操纵子突变；该操纵子直接突变或缺失导致聚集丧失，因这些结构在该菌中为该过程所需。由于聚集可由铜绿假单胞菌上清在若干其他革兰阴性菌株中诱导，这可能表明对生物危险信号的快速且更广泛传播的保护性响应。捕食也可有利于多细胞防御。在盘基网柄菌捕食下，枯草芽孢杆菌形成多细胞防御性聚集体与伸长丝状链，降低捕食效率。这些响应可由涉及细胞状态改变基因中聚合酶滑移引起的开关样遗传变化诱导。从演化角度看，这些遗传编码的可塑性响应使进入与退出多细胞性的转变可遗传。细胞相互作用可影响个体与群体层面的选择，并产生涌现性多细胞特性。建模工作显示，结构化环境中细胞间机械相互作用可产生朝向资源的集体趋化，进而选择黏附并因此选择多细胞性。总之，多细胞结构可从原核物种间拮抗与正相互作用演化。当环境结构——生物或非生物——将细胞分隔为群体时，它可作为生态支架，允许选择在群体层面运作，之后多细胞性才遗传编码。

5.2 多细胞组织的持续

一旦多细胞性演化，环境背景影响其稳定性。在流体下，生物膜可通过产生基质抵抗冲刷。然而在铜绿假单胞菌中，非产生者在复杂流环境中通过占据生物膜后方低剪切区域而持续存在。在霍乱弧菌中发生类似效应，尽管非产生者对基质的利用被发现是自限的，因流本身限制保护的空间范围。