实验进化研究表明微生物合作如何出现

马克斯普朗克马尔堡的科学家利用合成微生物群落研究了互利共生的逐渐进化。这项研究首次详细展示了不同生物群落中独立性如何逐渐丧失。他们的研究发表在《自然通讯》上。

互利共生是两种不同物种的生物之间互利共生的现象，这种现象在动物和植物中得到广泛认可，但在微生物界也起着至关重要的作用，因为微生物界中不同物种往往生活在一起。这些微生物通常形成以代谢物交换为特征的群落。

但是，合作如何才能超越自私行为呢?以前的知识主要依赖于现有自然共生关系的进化“快照”，而导致此类群落独立性逐渐丧失的机制在很大程度上仍是假设的。

由德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的 Victor Sourjik 领导的研究小组通过在实验室中复制这一过程，着手揭示微生物互利共生进化的潜在机制。

他们在原核生物伙伴(大肠杆菌)和真核生物伙伴(酿酒酵母)之间构建了一个合成群落，并让其在伙伴只能共同生长的条件下进化。

“我们的跨界细菌和酵母联合体是一个理想的模型，因为这两种生物的代谢和基因调控都得到了充分的理解。值得注意的是，许多自然共生相互作用也涉及真核生物和原核生物伙伴，这使得这种模型特别有意义，”这项研究的第一作者乔瓦尼·斯卡林奇说。

相互依存达到新水平

在实验进化过程中，研究小组不仅观察到了工程合作特征的加强，还观察到了群落成员之间新水平的相互依赖。“我们发现酵母伙伴在氮代谢方面高度依赖其细菌伙伴——这种现象在自然共生中很常见，”斯卡林奇解释说。

综合分析表明，互利选择以间接方式反复发生：促进合作的特征似乎与其他提供利益的特征相关联。研究人员发现，这是由于基因多效性(一个基因影响多个特征)和权衡(一个特征不能减少而另一个特征不能增加)造成的。

“虽然多效性被认为是维持现有互利共生关系的重要因素，但我们的研究结果表明，它也能推动新的互利共生关系的演变，”Sourjik 说。“相比之下，我们看不到群体选择的证据，群体选择是互利共生演变背后普遍假设的机制。”