研究人员研究了既能吃又能光合作用的微生物如何在不断变化的环境中进化

对地球上生命的快速调查通常会产生两类：一类是产生自己的营养物质，另一类是必须从其他生命形式中获取营养。植物通常属于第一类，称为自养生物，而动物和真菌几乎完全属于第二类，即异养生物。但是更深入地挖掘揭示了许多可以同时做到这两点的生物：混合营养菌。

“你会认为一种既可以进行光合作用又可以进行异养的生物体已经达到了新陈代谢的大奖，”加州大学圣巴巴拉分校的助理教授HollyMoeller说。“因此，思考这方面的限制是很有趣的。”

Moeller实验室的成员进行了一项为期三年的实验，以了解两种混合营养菌如何适应温度和光照水平的变化。研究小组发现，一种菌株在较高的温度下进化为较少的光合作用，这可能对气候有影响。结果还支持这样一种观点，即自然选择可能对具有较不灵活特征的生物体产生更强的影响。研究结果发表在《全球变化生物学》杂志上。

作者很好奇混合营养菌是否会在更高的温度下进化为在许多代中变得更具光合作用，这是一项对气候变化具有重要意义的调查。“这些生物可以是碳源或碳汇，具体取决于它们所依赖的过程，”第一作者MichelleLepori-Bui解释说，他是前国家科学基金会生态、进化和海洋生物学系的研究生，现在WashingtonSeaGrant的海水水质专家。

Lepori-Bui想知道微生物是否会通过简单地改变它们的基因表达来适应新的条件，或者它们是否会进化几代，积累永久性的基因变化。以前对混合营养菌的研究只进行了几周，没有足够的时间来确定实际的进化趋势。Moeller和Lepori-Bui计划进行更大规模的实验。

作者从两种混合营养菌群开始，一种必须始终进行光合作用，另一种只能在某些情况下进行。他们将每个菌株分为两个光照水平和三个温度范围：18°C、24°C和30°C。研究人员在整个实验过程中的常规时间点将对照种群(在24°C进化)与各个实验组进行了比较。简要地将对照组置于实验条件下，他们注意到与持续暴露在这些条件下的实验组相比，它的表现如何。有了这些数据，研究人员就可以确定不同人群在实验过程中的变化情况。

整个研究于2018年4月开始，但因2020年3月的大流行应对封锁而几乎脱轨。“米歇尔[Lepori-Bui]以极大的惊愕、力量和毅力继续应对大流行，”穆勒说。

三年后，他们获得了400到700代微生物的数据。尽管如此，从数据中解读趋势仍然是一项挑战。“这些混合营养生物是超级复杂的小动物，它们并不总是想轻易地向我们透露它们的秘密，”莫勒说。研究人员注意到在较高温度下异养性普遍增加，特别是来自始终进行光合作用的菌株。

这表明气候危机可能会改变混合营养菌在全球碳循环中的作用。混合营养比科学家之前意识到的更为普遍，尤其是在营养贫乏的开阔海洋中的浮游生物中。如果混合营养菌转变为更异养的，它们将产生更多的CO2，​​这会导致气候变化。这可能会进一步提高温度并扩大海洋中营养匮乏的区域，从而形成反馈循环。“因此，混合营养菌有可能成为碳循环的主要参与者，”默勒指出。

也就是说，与对照组相比，每个实验人群都更好地适应了他们的条件。例如，在相同条件下，高温组比对照组生长得更快，并且在高温下更好地利用了碳。

“这可能意味着它们将更多的碳传递到食物链中，这使这些碳有机会被吸入深海并从大气中清除，”默勒说。但是全球气候系统的复杂性使得很难预测混合营养菌在未来会成为碳生产者还是消费者。

结果还支持这样一种观点，即自然选择对具有更严格特征或表型的生物体具有更强的影响。Lepori-Bui说：“如果他们的灵活性较低，他们必须经过几代人的改变才能生存。”

然而，表型可塑性可能会双向切割。一方面，在一生中改变特征的能力可以减少进行永久性遗传改变的压力。另一方面，它提供了自然选择材料，并防止谱系在适应新条件之前死亡。

Moeller计划继续研究表型可塑性在进化适应中所起的作用，并开展涉及更广泛的混合营养菌的更大规模研究。今年早些时候，该团队发表了一篇论文，研究成为混合营养菌如何影响物种在生命游戏中的竞争优势。“我们正在逐步建立这个更广泛的理论，一次一个乏味的实验，”她说。

通过其实验，穆勒实验室正在着手进行令人兴奋的新研究，调查在预测生物体未来将如何适应时真正重要的是什么。由于它们的复杂性，混合营养菌很难包含在大型环境模型中，因此它们经常被排除在外。有关混合营养菌的更多信息和数据，以及它们可能如何变化，将更容易将它们包含在预测模型中。

“我们几乎不知道他们在当前条件下是如何做的，更不用说他们将来会做什么，”默勒说。“然而，同样非常清楚的是，这对它们与其他物种和碳循环的关系有影响。”