Nature Microbiology：有些细菌像景色一样随着季节进化

每年，威斯康星州湖中的大多数细菌都在迅速进化，显然是为了应对急剧变化的季节，然后又进化回来。

　　

就像电影《土拨鼠之日》（Groundhog Day）中的比尔·默里（Bill Murray）一样，威斯康星州湖中的细菌物种处于一种似乎无法摆脱的无尽循环中。

根据《自然微生物学》杂志的一项新研究，研究人员发现，在一年的时间里，门多塔湖的大多数细菌种类都在迅速进化，显然是为了应对急剧变化的季节。基因变异会在几代人的时间里起起落落，然而，数百个不同的物种会几乎完全恢复到它们在大约1000代进化压力之前的基因副本。（单个微生物的寿命只有几天，而不是整个季节，因此科学家的工作涉及比较细菌基因组，以检查物种随时间的变化。）同样的季节变化年复一年地上演着，就好像进化是一部电影，每次都要回到开头，再放一遍，似乎没有任何进展。

“我很惊讶，这么大一部分细菌群落正在经历这种变化，”德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的博士后研究员罗宾·罗威尔（Robin Rohwer）说，他是该研究的合著者布雷特·贝克（Brett Baker）的实验室。“我本来希望观察到几个很酷的例子，但实际上有数百个。”

Rohwer领导了这项研究，最初是作为一名博士生在威斯康星大学麦迪逊分校与Trina McMahon一起工作，然后在德克萨斯大学。

门多塔湖每一季都有很大的变化——在冬天，它被冰覆盖，在夏天，它被藻类覆盖。在同一种细菌中，更能适应某一种环境条件的菌株会在一个季节胜过其他菌株，而其他菌株则会在不同的季节有机会发光。

作为国家科学基金会资助的长期监测项目的一部分，麦克马洪、罗威尔和其他威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在20多年的时间里从门多塔湖收集了471个水样，这是一个独一无二的档案。对于每个水样，他们组装了一个宏基因组，即细菌和其他生物体留下的DNA片段的所有基因序列。这导致了从自然系统中收集到的最长的宏基因组时间序列。

“这项研究彻底改变了我们对微生物群落如何随时间变化的理解。这只是这些数据告诉我们自然界微生物生态和进化的开始。”

该档案还揭示了更持久的基因变化。

2012年，这个湖经历了不同寻常的情况：冰盖提前融化，夏季比往常更热、更干燥，流入湖中的河流水量减少，作为细菌有机氮重要来源的藻类比往常更加稀少。正如Rohwer和他的团队发现的那样，那年湖中的许多细菌在与氮代谢相关的基因上发生了重大变化，可能是由于藻类的缺乏。

“我想，在数百种细菌中，我可能会发现一两种具有长期变化的细菌，”Rohwer说。“但相反，五分之一的人经历了多年的重大序列变化。我们只能深入研究一个物种，但其他一些物种可能也有重大的基因变化。”

气候科学家预测，未来几年美国中西部地区将出现更多极端天气事件，比如2012年门多塔湖（Lake Mendota）炎热干燥的夏季。

“气候变化正在缓慢地改变季节和平均气温，但也导致了更多的突发、极端天气事件，”罗威尔说。“我们不知道微生物将如何应对气候变化，但我们的研究表明，它们将随着这些渐进和突然的变化而进化。”

与UT的另一个著名的细菌进化实验——长期进化实验不同，Rohwer和Baker的研究涉及复杂和不断变化的自然条件下的细菌进化。研究人员利用德克萨斯高级计算中心（TACC）的超级计算资源，从水样中的短序列DNA中重建细菌基因组。Rohwer估计，在TACC花几个月时间完成的同样的工作，如果用一台笔记本电脑的话，需要34年的时间，涉及大约2800个不同物种的3万多个基因组。

“把每个物种的基因组想象成一本书，每个小的DNA片段都是一个句子，”罗威尔说。“每个样本都有数百本书，都被分割成这些句子。要重新组合每本书，你必须找出每句话来自哪本书，然后按顺序把它们重新组合起来。”