Cell子刊综述：肠道菌群与宿主进化

　　

生物通报道：科学家们越来越认识到，肠道菌和其他微生物对我们健康的重要性，但是，加州大学伯克利分校的生物学家在问：这些微生物——我们的微生物组，是否通过操纵进化，而在塑造我们自己的过程中，发挥一定作用呢？延伸阅读：Cell Rep：测序揭示人类肠道菌群的进化；PNAS：肠道菌群研究的“大革命”。

生物学家收集的证据表明，动物及其共生体（通常是生活在体表或体内的细菌）之间的相互依存，对这两者的进化有影响。但是，加州大学伯克利分校的综合生物学助理教授Michael Shapira认为，我们身体的不同微生物群，有着更为深刻的影响，为了生存，它们以一种亲密的协作，显著加剧了进化。

最近在《Trends in Ecology and Evolution》发表的一项研究中，Shapira——致力于研究秀丽隐杆线虫的肠道微生物，有证据显示，微生物群通过与宿主一起进化，或通过在关键时刻介入以帮助宿主适应一个新的环境挑战，影响并有助于宿主的进化。

他说，这些例子，支持相对较新的全基因组（hologenome）概念，该术语指，宿主及其微生物的基因组，也许包括皮肤上、肠道中甚至生殖器官中成千上万不同种类的细菌。在他最近的一篇论文中，Shapira阐述了特拉维夫大学研究人员在2008年的一项提议：进化对全基因组起作用，而不是单独地对宿主及其微生物群的基因组起作用。这意味着，随着宿主进化以适应不断变化的环境，其微生物群在指导和参与其进化的过程中，发挥关键的作用。

Shapira说：“当我看到Ilana Zilber-Rosenberg和Eugene Rosenberg描述全基因组概念的文章时，这出乎我的意料。动物可能不完全基于自己的基因组进行选择，而是借助于更多，从而为以前人们想象不到的进化路径，开启了大门。”Shapira进一步阐述了这个概念，包括关于生物体之间共生关系的一些惊人发现，因为它们彼此依赖，结合在一起。

蚜虫和它们的肠道细菌
Shapira说，宿主及其共生体共进化的例子，在我们身边到处都是。据证明，蚜虫依靠细菌，提供蚜虫不能制造、并无法轻易从饮食获得的必需氨基酸，而细菌——叫做Buchnera的一个集群，以树叶来源的糖的形式，可得到这些氨基酸。

研究人员检测了不同种类蚜虫及其肠道细菌的基因，他们发现，在进化过程中新蚜虫物种的出现，反映在昆虫的Buchnera共生体中的物种形成事件。这演示了这两个物种的命运相连如何引起了共进化。但Buchnera并不孤单。后续工作还表明，蚜虫还具有其他不那么重要的共生体，或依赖它们的宿主，但是帮助昆虫在不断变化的环境中适应新的生态位。

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Shapira表明，总之，这些物种代表了一个基本的全基因组，具有必不可少的、共同进化的共生体，但也具有庞大的微生物，用于灵活适应不断变化的环境。适应新环境，可能导致人口分散、隔离，和随后一个新物种的进化。Shapira说，这是与共生体一起生活的一个关键结果，他相信，微生物群，包括许多类型的共生体，代表了这种蚜虫-共生体关系的扩展版本。

在果蝇进行的一个实验演示了这一点。当喂食不同类型的食物时，果蝇发展出不同的肠道微生物群，可更善于处理可用的食物。

然而，他说：“令人惊讶的结果是，在一代的时间内，果蝇对自己的类群发展出了择偶偏好，忽略了其他类群，这依赖于帮助它们利用食物的肠道微生物。实际上，这导致了两个种群的生殖隔离，并可能促进未来的物种形成。”

线虫的肚子不适
在他自己的实验室里，他在富含不同类型产物的土壤上养线虫——例如，含糖和纤维，他们发现，无论什么食物来源，以及随之而来的环境微生物多样性，线虫在其肠道也有类似的细菌。不同食物的平衡变化，也出现在人类身上。例如，与素食者相比，高脂肪含量饮食的人，有不同的微生物群，虽然在人类中，确定一个核心的微生物群更难。

研究表明，这些肠道细菌有助于宿主生活的许多方面，包括发育、生育、新陈代谢、免疫和行为。例如，无微生物的小鼠不能发展出强大的免疫系统，而线虫则依靠一些肠道微生物来抵抗细菌。

Shapira在他的论文中提出，动物和一套核心细菌一起进化，它们可以适应不断变化的环境，也许，随着时间的推移，会成为新的物种。在我们肠道中游来游去的其他细菌，与我们的基本功能关系不大，但受到不断变化的环境的影响，理想上可作为一种资源，来帮助我们适应饮食的突然改变或毒素。

在考虑这些可能性时，Shapira借鉴了共生的不同例子。例如，最近的一个实验显示，一种昆虫——宽头臭虫，由于获得了一种可解毒的肠道微生物，因此它们能在接触农药后生存下来。

他说：“在我看来，这是有许多灵活的微生物的优势的一个例子。你可以交换它们的环境,你可以得到能够更好保护自己的菌株。这是实现适应性的一种方式。”

Shapira的提议也意味着，某些微生物群——也就是说，核心微生物群，可能被传递给一个人的后代，但是其他部分，属于灵活的微生物部分，可以与环境交换。宿主或微生物的变化，会改变整个全基因组。

他说：“科学家们日益认识到，事实上所有的动物都与复杂的微生物群落形成一种共生关系，应该扩大我们考虑‘共生互动关系如何影响宿主进化’的框架”。

Shapira计划未来开展秀丽隐杆线虫的实验，来检验这些想法，并澄清宿主及其微生物群之间的互利关系。

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
Gut Microbiotas and Host Evolution: Scaling Up Symbiosis. Michael Shapira. Trends in Ecology and Evolution (2016).