海洋中最成功的細(xì)菌，或已困于自身進(jìn)化桎梏

最新研究發(fā)現(xiàn)，幫助一種海洋細(xì)菌在當(dāng)今海域繁衍生息的優(yōu)勢性狀，可能終將成為其致命弱點(diǎn)。

數(shù)十年來，SAR11菌一直被視為海洋高效能的典范：這種微型微生物能在養(yǎng)分稀薄的水域蓬勃生長。但最新研究指出，正是幫助它們征服貧營養(yǎng)海域的這些特質(zhì)，也讓它們?cè)诃h(huán)境變化時(shí)顯得尤為脆弱。

SAR11遍布全球表層海水，在某些海域可占海洋細(xì)菌總量的40%。它們的優(yōu)勢來自基因組精簡——這種進(jìn)化策略通過削減基因，使細(xì)胞耗費(fèi)更少能量維持多余的生物結(jié)構(gòu)。在穩(wěn)定且貧營養(yǎng)的水域中，這種策略卓有成效，但最新研究揭示，當(dāng)環(huán)境變得不穩(wěn)定時(shí)，SAR11可能因缺乏應(yīng)對(duì)工具而陷入困境。

《自然·微生物學(xué)》近期發(fā)表的研究指出，這種極端精簡策略存在嚴(yán)重缺陷。

"SAR11在適應(yīng)并主導(dǎo)穩(wěn)定貧營養(yǎng)環(huán)境方面取得的非凡進(jìn)化成就，可能使它們更容易受海洋環(huán)境變化的影響。它們或許把自己進(jìn)化進(jìn)了一個(gè)陷阱。"該研究的通訊作者、生物科學(xué)與地球科學(xué)教授卡梅隆·思拉什解釋道。

通過分析數(shù)百個(gè)SAR11基因組，研究人員發(fā)現(xiàn)許多菌株缺少調(diào)控細(xì)胞周期的關(guān)鍵基因。在多數(shù)細(xì)菌中，這些控制基因被視為穩(wěn)態(tài)生長的必需要素，能確保細(xì)胞逐步完成DNA復(fù)制與分裂過程。

科學(xué)家早已注意到SAR11應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的能力欠佳，但令研究團(tuán)隊(duì)意外的是其在壓力下的具體表現(xiàn)。許多細(xì)胞并未在環(huán)境惡化時(shí)暫停生長，而是持續(xù)復(fù)制DNA卻無法完成分裂。

"它們的DNA復(fù)制與細(xì)胞分裂過程脫節(jié)了。細(xì)胞不斷復(fù)制DNA卻無法正常分裂，最終產(chǎn)生染色體數(shù)量異常的細(xì)胞。"生物學(xué)博士研究生、論文第一作者程傳凱描述道，"令人驚訝的是，這種細(xì)胞特征如此清晰且可重復(fù)出現(xiàn)。"

通俗來說，這好比工廠不斷復(fù)印說明書，卻從不組裝產(chǎn)品。其結(jié)果是產(chǎn)生攜帶額外染色體的異常腫大細(xì)胞，這些細(xì)胞往往最終死亡。

即使在營養(yǎng)充足時(shí)，這種機(jī)能失調(diào)仍會(huì)拖慢整體種群增長，這挑戰(zhàn)了"食物越多微生物繁殖越快"的傳統(tǒng)認(rèn)知。

該研究還為海洋科學(xué)家長期觀察到的現(xiàn)象提供了合理解釋：在浮游植物水華后期，當(dāng)水體中有機(jī)物增加時(shí)，SAR11數(shù)量往往會(huì)下降。

思拉什指出："我們?cè)缇椭肋@些生物不太適應(yīng)水華后期階段。現(xiàn)在終于有了解釋：水華后期伴隨新溶解有機(jī)物的增加，這會(huì)干擾SAR11的生理機(jī)能，降低其競爭力。"

這項(xiàng)研究對(duì)理解氣候變化與海洋生態(tài)系統(tǒng)具有更廣泛的意義。SAR11在海洋碳循環(huán)中扮演關(guān)鍵角色，隨著海洋環(huán)境波動(dòng)加劇，它們對(duì)升溫和營養(yǎng)脈沖的敏感性可能重塑微生物群落格局。

"這項(xiàng)工作揭示了環(huán)境影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的新途徑——不僅通過限制資源，更通過干擾優(yōu)勢微生物的內(nèi)部生理機(jī)能。"程傳凱強(qiáng)調(diào)。隨著環(huán)境穩(wěn)定性下降，具有更強(qiáng)調(diào)控靈活性的生物可能獲得競爭優(yōu)勢。

研究人員表示，后續(xù)工作將聚焦于揭示這些紊亂背后的分子機(jī)制。鑒于SAR11的巨大數(shù)量規(guī)模，這項(xiàng)研究將助力深化理解其在海洋碳循環(huán)中的作用。

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