肠道菌群与宿主进化.doc

肠道菌群与宿主进化科学家们越来越认识到肠道菌和其他微生物对我们健康的重要性但是加州大学伯克利分校的生物学家在问：这些微生物——我们的微生物组是否通过操纵进化而在塑造我们自己的过程中发挥一定作用呢？延伸阅读：CellRep：测序揭示人类肠道菌群的进化；PNAS：肠道菌群研究的“大革命”。生物学家收集的证据表明动物及其共生体（通常是生活在体表或体内的细菌）之间的相互依存对这两者的进化有影响。但是加州大学伯克利分校的综合生物学助理教授MichaelShapira认为我们身体的不同微生物群有着更为深刻的影响为了生存它们以一种亲密的协作显著加剧了进化。最近在《TrendsinEcologyandEvolution》发表的一项研究中Shapira——致力于研究秀丽隐杆线虫的肠道微生物有证据显示微生物群通过与宿主一起进化或通过在关键时刻介入以帮助宿主适应一个新的环境挑战影响并有助于宿主的进化。他说这些例子支持相对较新的全基因组（hologenome）概念该术语指宿主及其微生物的基因组也许包括皮肤上、肠道中甚至生殖器官中成千上万不同种类的细菌。在他最近的一篇论文中Shapira阐述了特拉维夫大学研究人员在2019年的一项提议：进化对全基因组起作用而不是单独地对宿主及其微生物群的基因组起作用。这意味着随着宿主进化以适应不断变化的环境其微生物群在指导和参与其进化的过程中发挥关键的作用。Shapira说：“当我看到IlanaZilber-Rosenberg和EugeneRosenberg描述全基因组概念的文章时这出乎我的意料。动物可能不完全基于自己的基因组进行选择而是借助于更多从而为以前人们想象不到的进化路径开启了大门。”Shapira进一步阐述了这个概念包括关于生物体之间共生关系的一些惊人发现因为它们彼此依赖结合在一起。蚜虫和它们的肠道细菌Shapira说宿主及其共生体共进化的例子在我们身边到处都是。据证明蚜虫依靠细菌提供蚜虫不能制造、并无法轻易从饮食获得的必需氨基酸而细菌——叫做Buchnera的一个集群以树叶来源的糖的形式可得到这些氨基酸。研究人员检测了不同种类蚜虫及其肠道细菌的基因他们发现在进化过程中新蚜虫物种的出现反映在昆虫的Buchnera共生体中的物种形成事件。这演示了这两个物种的命运相连如何引起了共进化。但Buchnera并不孤单。后续工作还表明蚜虫还具有其他不那么重要的共生体或依赖它们的宿主但是帮助昆虫在不断变化的环境中适应新的生态位。Shapira表明总之这些物种代表了一个基本的全基因组具有必不可少的、共同进化的共生体但也具有庞大的微生物用于灵活适应不断变化的环境。适应新环境可能导致人口分散、隔离和随后一个新物种的进化。Shapira说这是与共生体一起生活的一个关键结果他相信微生物群包括许多类型的共生体代表了这种蚜虫-共生体关系的扩展版本。在果蝇进行的一个实验演示了这一点。当喂食不同类型的食物时果蝇发展出不同的肠道微生物群可更善于处理可用的食物。然而他说：“令人惊讶的结果是在一代的时间内果蝇对自己的类群发展出了择偶偏好忽略了其他类群这依赖于帮助它们利用食物的肠道微生物。实际上这导致了两个种群的生殖隔离并可能促进未来的物种形成。”线虫的肚子不适在他自己的实验室里他在富含不同类型产物的土壤上养线虫——例如含糖和纤维他们发现无论什么食物来源以及随之而来的环境微生物多样性线虫在其肠道也有类似的细菌。不同食物的平衡变化也出现在人类身上。例如与素食者相比高脂肪含量饮食的人有不同的微生物群虽然在人类中确定一个核心的微生物群更难。研究表明这些肠道细菌有助于宿主生活的许多方面包括发育、生育、新陈代谢、免疫和行为。例如无微生物的小鼠不能发展出强大的免疫系统而线虫则依靠一些肠道微生物来抵抗细菌。Shapira在他的论文中提出动物和一套核心细菌一起进化它们可以适应不断变化的环境也许随着时间的推移会成为新的物种。在我们肠道中游来游去的其他细菌与我们的基本功能关系不大但受到不断变化的环境的影响理想上可作为一种资源来帮助我们适应饮食的突然改变或毒素。在考虑这些可能性时Shapira借鉴了共生的不同例子。例如最近的一个实验显示一种昆虫——宽头臭虫由于获得了一种可解毒的肠道微生物因此它们能在接触农药后生存下来。他说：“在我看来这是有许多灵活的微生物的优势的一个例子。你可以交换它们的环境你可以得到能够更好保护自己的菌株。这是实现适应性的一种方式。”Shapira的提议也意味着某些微生物群——也就是说核心微生物群可能被传递给一个人的后代但是其他部分属于灵活的微生物部分可以与环境交换。宿主或微生物的变化会改变整个全基因组。他说：“科学家们日益认识到事实上所有的动物都与复杂的微生物群落形成一种共生关系应该扩大我们考虑‘共生互动关系如何影响宿主进化’的框架”