作者:Richard Lenski 来源:《科学》 发布时间:2011-3-28 13:24:03
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突变频率慢细菌长期适应性更强
 
“龟兔赛跑”的故事,我们小时候就听了无数遍。这个故事告诫我们要学习乌龟谦虚、坚持不懈的精神。之后已不断有人在这个故事的基础上演绎出其他的版本。例如兔子在吸取经验教训的基础上在第二次的挑战中全力以赴、毫不停歇,从而远远地甩掉了乌龟,取得了胜利;乌龟开动脑筋,改变比赛路线,把赛道改为水、陆兼有,兔子不会游泳因而输了;还有其他更新的版本,强调龟兔合作,结合各自的优势,从而表现出无与伦比的竞争力。
 
近日来自美国密歇根大学微生物和分子遗传学系教授Richard Lenski及同事在进化学研究中再次演绎了“龟兔赛跑”的故事,他们证实带有长期进化利益性突变的“乌龟细菌”最终战胜了短期优势的“兔子细菌”。这一研究故事公布在3月18日的《科学》(Science)杂志上。
 
Richard Lenski是美国国家科学基金资助的密歇根大学科学技术中心BEACON项目的共同主持人,被公认为美国进化科学研究领域的领导性人物。他曾带领研究团队在25年的时间里对超过52,000代的生长细菌进行了长期的进化研究,并分别在进化时间长度为500代、1000代和1500代的细菌中找到了5种优势突变:rbs, topA, spoT和glmUS基因突变存在于1000-1500代之间的进化群体,而pykF基因突变则出现在1500代之后。研究人员证实topA突变可使得细菌中的DNA拓扑异构酶发生一个氨基酸置换,改变染色体的超螺旋结构,影响大量基因的转录,从而促进细菌的生存和繁殖。
 
在这篇文章中,研究人员选择了在500代内快速出现topA突变的菌株称为“兔子细菌”,而将其他的突变频率发生较慢的细菌,称为“乌龟细菌”。他们将“兔子细菌“和”乌龟细菌“等量混合,进行了直接竞争试验分析。研究人员本以为在传代至500代后这些“兔子细菌”应比“乌龟细菌”显示更强的适应优势,然而试验结果完全出乎他们的意料。研究人员发现在细菌生长分裂至500代时,“兔子细菌”确实在数量上占据绝对优势,然而在继续培养883代后,也就是在1383代时,情况发生了逆转,“乌龟菌株”不仅反超,而且“一统天下”。在进一步的研究分析中,研究人员证实在1383代时,“乌龟细菌”相对于“兔子细菌”出现了另一种有利的spoT基因突变,spoT基因突变使得“乌龟菌株”后来居上,最终取得了胜利。
 
“这真像是一场棋局。在下棋过程中,有时做出一些必要的牺牲才能赢得最后的胜利。从本质上讲,乌龟细菌通过生成了更多有益的突变从而克服了短期进化过程中的不利。而兔子细菌虽然生成了可获得短期适应利益的突变,然而却阻塞了获得进一步改良的道路,”Lenski说。
 
尽管达尔文自然选择理论已通过大量研究获得了证实,然而这项研究是第一次在如此长的进化时间内对进化进行详细地研究论证。这一研究获得了美国国家科学基金会、美国国防部高级研究项目局以及密歇根大学AgBioResearch的资助。(来源:生物通 何嫱)
 
 
 
 
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