关键发现
- 研究人员分析了1020个乳酸杆菌基因组,研究这些细菌如何适应昆虫、脊椎动物、蔬菜、自由生存环境和乳制品五种栖息地
- 乳酸杆菌通过菌株特异性机制而非共有遗传特征适应环境,栖息地与系统发育相关性无明显关联
- 昆虫关联乳酸杆菌进化出碳水化合物利用和氨基酸合成基因,反映对昆虫营养受限饮食的适应
作为乳酸菌的重要成员,乳酸杆菌因其发酵和益生功能在食品工业和健康领域发挥关键作用。其生态多样性既源自自然辐射,也受人类改造环境(如发酵食品)驯化影响。墨西哥国立自治大学团队对1020个乳酸杆菌基因组开展比较基因组学研究,揭示不同栖息地适应机制及驱动多样化的进化动力。研究将乳酸杆菌分为五类生境:昆虫、脊椎动物(含人类和动物)、蔬菜、自由生存环境和乳制品。通过分析系统发育关系、基因组距离及基因存在/缺失图谱,发现特定环境适应的聚类模式,阐明栖息地对基因组特征的影响,为该属生态和工业应用提供新认知。
研究显示德氏乳杆菌类群基因组分歧显著,其GC含量变异幅度是其他细菌属的五倍。GC含量指DNA中鸟嘌呤和胞嘧啶的比例,显著变异常反映进化压力或适应性变化。这种分歧凸显某些乳酸杆菌在特定环境中的独特进化路径。
有趣的是,昆虫关联菌株碳水化合物利用基因与氨基酸合成基因呈现强相关性。这种代谢特征可能反映昆虫生境的营养需求:碳水化合物丰富的饮食与有限的氨基酸供应需要特异性适应。然而所有生境中均未发现栖息地适应与系统发育接近度的稳定关联,表明乳酸杆菌依赖菌株特异性适应机制而非通用遗传标记,凸显其进化策略的复杂性。
约50%的生境特异性基因被归类为假定基因,其功能尚未明确。这揭示乳酸杆菌基因组的广阔探索空间,需要进一步研究环境适应的遗传基础。
这些发现建立在对乳杆菌科及相关物种的前期研究基础上。此前研究显示乳杆菌科的基因组多样性由基因获得和丢失共同塑造,水平基因转移在新栖息地适应中起关键作用。当前研究进一步证明乳酸杆菌采用多样且菌株特异的机制适应环境,而非依赖共有遗传特征。这与早期发现的基因丢失和获得促进生态位特化相一致,例如乳制品适应菌株通过丢失非必要祖先特征实现进化。
研究还补充了乳杆菌代谢能力图谱的前期工作,揭示物种特异性反应和生态位富集特征。通过识别昆虫关联乳杆菌的碳水化合物代谢和氨基酸合成相关基因,新研究更精细地阐明代谢特征与环境压力的对应关系。基因丢失作为适应性驱动因素的概念(在广泛进化研究中提出)也在本研究中得到印证。栖息地适应缺乏通用遗传标记表明,基因丢失可能导致基因组为特定生态位优化,这种现象在其他细菌中亦有观察。
墨西哥国立自治大学的研究凸显了乳酸杆菌的基因组复杂性和生态灵活性。通过分析创纪录的基因组数量,研究人员提供了该属适应策略的珍贵洞见,阐明菌株特异性机制如何促使其在多样环境中成功定植。这些发现不仅加深了对乳酸杆菌进化的理解,对食品生产和生物技术等依赖该菌的产业也具实用价值。
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