• 研究背景

噬菌体通过劫持细菌宿主的复制和代谢机制并诱导其裂解来繁殖，为细菌的生存和进化提供了极强的选择压力，使细菌不断进化出新的抗噬菌体机制。与此同时，噬菌体也能够通过不断进化来突破细菌的防御系统，从而形成一种持续的“军备竞赛”。这种长期的相互作用被认为是驱动细菌和噬菌体生态及进化的重要因素。已有研究表明，噬菌体与细菌之间的协同进化可能会提高细菌的突变率，并促进全基因组水平的遗传变化。然而，大多数研究主要集中在少数突变菌株或突变率的比较上，对于噬菌体感染压力下细菌基因组整体遗传变异及其进化特征仍缺乏系统性的研究。大肠杆菌 (E. coli) 作为研究最深入的原核模式生物，在微生物学和生物技术研究中具有重要代表性。然而，大肠杆菌在噬菌体胁迫下的遗传变异和进化特征仍鲜为人知。基于这一背景，团队通过高通量测序和重测序，对噬菌体压力下的 E. coli MG1655 的耐噬菌体突变 (Phage-resistant mutants, PRM) 菌株的遗传变异以及与噬菌体共同进化的 E. coli 种群的突变频率进行系统性分析。期望揭示大肠杆菌的PRM菌株表现出丰富的遗传和表型多样性，其中插入序列 (IS) 元件在基因组结构变化和基因功能调控中发挥了关键作用。

• 研究内容及结果

1. 大肠杆菌PRM菌株的遗传多样性及表型多样性

为了模拟自然条件下的噬菌体压力，我们从中国广州珠江采集的污水样本中富集出能够感染大肠杆菌MG1655的混合噬菌体，与大肠杆菌混合培养。从培养体系中挑选出形态不同的耐噬菌体菌落，并对其进行四轮纯化，最终获得101株耐噬菌体突变 (PRM) 菌株。通过IRS-PCR对对这些PRM菌株进行基因型检测，共筛选出6株具有明显遗传变异的PRM菌株 (图1A)。这些PRM菌株在生长速度、菌落形态以及生理特性等方面表现出明显差异，说明噬菌体选择压力能够显著促进细菌的表型分化 (图1B)。

图1. 大肠杆菌PRM菌株的多样性 (A) PRM菌株IRS-PCR图谱；(B) PRM菌株表型检测。

2. 噬菌体感染压力促进基因组突变的产生

在进化过程中，大肠杆菌基因组中产生了大量突变位点 (Mutational sites, MSs)，为探究六株PRM菌株的遗传变异，对大肠杆菌MG1655与六株PRM菌株进行了比较基因组学分析。6株PRM菌株产生13个MSs包含IS转座、脂多糖合成、脂蛋白合成、渗透调节、DNA复制和重组等11个基因。

值得注意的是，几乎所有检测到的突变位点都出现在细菌与噬菌体协同进化的种群中，说明噬菌体感染压力显著促进了细菌基因组突变的产生和积累。除此之外，6株PRM菌株还携带了46个变异区域，其中包含集中分布的SPM位点和长InDel (图2)。

图2. 大肠杆菌PRM菌株基因组MSs位点

3. IS元件在基因组结构变化中的重要作用

进一步的基因组分析表明，在噬菌体感染压力下，插入序列 (Insertion Sequences, IS) 元件在大肠杆菌基因组变化中发挥了重要作用。IS元件能够在基因组中发生插入、移动或重排，从而：改变基因结构；影响基因表达；调控相关代谢和适应性功能。研究发现，许多PRM菌株中的遗传变异与IS元件的活动密切相关，表明IS元件是驱动细菌快速适应环境变化的重要遗传机制之一。在MGM03菌株中检测到一个6068 bp的缺失区域，该区域包含多个与细菌运动和趋化性相关的基因：tar、cheW、cheA、motB、motA、flhC 和flhD (图3A)。这些基因的缺失可能改变细菌表面结构，从而降低噬菌体的吸附效率。在PRM菌株中频繁观察到IS元件的插入，例如，当IS元件插入后，破坏 waaB 和 waaG 基因结构并影响LPS合成，从而改变细菌细胞表面结构(图3B)。进一步分析发现，如 图6 所示，IS186/IS421元件还可以插入到 SraA和基因CapR的转录起始位点影响基因的表达水平 (图3C)。

图3. 大肠杆菌PRM菌株IS元件位置

4. 噬菌体协同进化促进突变积累

为了研究噬菌体感染对细菌进化的长期影响，对不同进化阶段的大肠杆菌种群进行了基因组重测序分析。结果显示，协同进化组中，大肠杆菌出现了大量新的突变位点 (图4)。协同进化的三个阶段的种群具有不同的MSs谱，且几乎所有PRM菌株检测到的MSs都出现在协同进化种群中。

图4. 重测序揭示大肠杆菌群体中MSs的分布和突变频率

• 研究总结

大肠杆菌PRM菌株表现出丰富的遗传和表型多样性。在噬菌体感染压力下，IS元件在创造各种遗传差异和调控基因功能方面发挥了重要作用。TRs的频繁扩展和收缩是可能增强了PRM菌株的某些适应性。重测序发现，协同进化的三个阶段的种群具有不同的MSs谱，且几乎所有检测到的MSs都出现在协同进化种群中。总而言之，噬菌体感染压力提高了大肠杆菌基因组的突变率，并加速了分歧大肠杆菌突变体的出现。这些发现也为理解细菌—噬菌体协同进化机制提供了新的基因组学证据，也为研究微生物适应性进化提供了重要参考。

• 作者简介

本研究为中国科学院南海海洋研究所广东省应用海洋生物学重点实验室 (LAMB) 罗鹏团队发表在Microorganisms 期刊。通讯作者为罗鹏研究员。

罗鹏 研究员

中国科学院南海海洋研究所研究员，广东药科大学特聘教授，广东省水产学会水产育种专业委员会委员，广东省水产学会理事，中国海洋与湖沼学会棘皮动物学分会理事，Current Microbiology 期刊副主编，中国动物学会甲壳动物学分会理事。广东省科学技术奖一等奖“凡纳滨对虾良种选育关键技术及产业化应用”(第四完成人)。共发表论文80余篇，近五年发表第一作者或通讯作者论文23篇 ，其中SCI论文20篇；获得授权第一发明人发明专利24件，其中PCT专利1件。以第二起草人制定地方标准2项，省级团体标准2项。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2076-2607/14/1/160

• Microorganisms 期刊介绍

主编：Nico Jehmlich, UFZ-Helmholtz Centre for Environmental Research, Germany

期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus等重要数据库收录。

2024 Impact Factor：4.2

2024 CiteScore：7.7

Time to First Decision：20 Days

Acceptance to Publication：2.9 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/microorganisms