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據(jù)生物進(jìn)化理論，超微型海洋細(xì)菌「原綠球藻」（Prochlorococcus）被假定為具有龐大種群規(guī)模的細(xì)菌，因此自然選擇被認(rèn)為是推動其演化最為有效的驅(qū)動力。香港中文大學(xué)（中大）生命科學(xué)學(xué)院羅海偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究推翻此說，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)「遺傳漂變」（genetic drift）是驅(qū)動原綠球藻演化的關(guān)鍵作用力，而「自然選擇」的作用力沒有預(yù)期中有效。研究結(jié)果更意味由原綠球藻驅(qū)動的生物地球化學(xué)循環(huán)效率可能遠(yuǎn)低于預(yù)期，令全球氣候調(diào)節(jié)受影響。研究成果已刊登于國際學(xué)術(shù)期刊《自然—生態(tài)與演化》（Nature Ecology & Evolution）。

 

原綠球藻是一種固碳光合細(xì)菌，廣泛分布于熱帶及亞熱帶海域，地球上近15%氧氣由它產(chǎn)生。微生物佔(zhàn)海洋生物量90%，大部分海洋微生物細(xì)胞僅由少數(shù)的優(yōu)勢群體構(gòu)成，原綠球藻是其一。它們是地球上最豐富的光合生物，利用陽光固定二氧化碳，繼而產(chǎn)生有機(jī)物和氧氣。

 

「遺傳漂變」是一種類似隨機(jī)抽樣方式的演化作用力，可以令有利的基因特征丟失，有害的基因特征保留�！高z傳漂變」可發(fā)生于任何物種包括人類和原綠球藻，但影響程度不同，例如科學(xué)界認(rèn)為它對人類的影響非常大，對原綠球藻的影響小至可被忽略。原因在于物種的有效種群規(guī)模（effective population size）越大，「遺傳漂變」影響力約小，相對地「自然選擇」的影響力越大。科學(xué)家過往認(rèn)為，原綠球藻的有效種群規(guī)模大約為10億至10萬億個，比任何已知物種規(guī)模都要大。因此，它們的演化過程被認(rèn)為主要受「自然選擇」影響，「遺傳漂變」的影響極小。

 

為驗(yàn)證這一假設(shè)，羅教授的團(tuán)隊及其合作實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了三年的大規(guī)模突變累積實(shí)驗(yàn)，他們測量了原綠球藻代表菌株的自發(fā)突變速率，并建立一套新計算方法，將400多個未培養(yǎng)原綠球藻的不完整基因組進(jìn)行種群劃分。團(tuán)隊基于這些數(shù)據(jù)估算出原綠球藻的有效種群規(guī)模僅為一千萬，遠(yuǎn)低于科學(xué)界以往的估算。

 

羅教授解釋：「按研究結(jié)果，原綠球藻的有效種群規(guī)模實(shí)際上是很小，『遺傳漂變』才是驅(qū)動演化的關(guān)鍵作用力。因此，科學(xué)家不應(yīng)再假設(shè)原綠球藻的基因組能集合優(yōu)化的代謝特征是出于『自然選擇』，而應(yīng)視之為一個攜帶大量有害突變的基因組合，令其編碼的『酶』嵌入大量有害突變。這項研究對理解原綠球藻驅(qū)動的生物地球化學(xué)循環(huán)的工作效率，特別是在固碳和營養(yǎng)元素循環(huán)方面具重要意義。例如﹕假若負(fù)責(zé)固定二氧化碳的『酶』攜帶大量有害突變，便會降低固碳效率。由于原綠球藻在全球固碳生物群落占據(jù)主導(dǎo)地位，一旦固碳效率受損，氣候調(diào)節(jié)和地球元素循環(huán)的平衡可能會受影響。」

 

這次研究團(tuán)隊的成員還包括羅教授指導(dǎo)的博士生王曉君、廈門大學(xué)張瑤教授及其博士生陳卓宇，以及香港科技大學(xué)曾慶璐教授等。研究獲南方海洋科學(xué)與工程廣東實(shí)驗(yàn)室（廣州）香港分部，及香港研究資助局「卓越學(xué)科領(lǐng)域計劃」等資助開展。論文全文可瀏覽: https://rdcu.be/cDLSh。

 

 

有關(guān)港中大微生物進(jìn)化及生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室

港中大微生物進(jìn)化及生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室由羅海偉教授于2015年成立，主要從事與碳、氮等元素生物地球化學(xué)循環(huán)、珊瑚保育及農(nóng)作物產(chǎn)量等有重要關(guān)系的細(xì)菌進(jìn)化遺傳學(xué)及種群基因組學(xué)研究。該實(shí)驗(yàn)室已取得多項突破性成果，包括開發(fā)新的方法計算細(xì)菌的古老程度及演化時間、發(fā)現(xiàn)細(xì)菌演化與宿主演化和地球演化歷程的關(guān)系、提出細(xì)菌物種形成的新機(jī)制，以及重新審視「自然選擇」在細(xì)菌演化過程中的作用等。

 

羅海偉教授目前在深圳研究院承擔(dān)的項目包括：

1. 國家自然科學(xué)基金-面上項目-玫瑰桿菌中參與厭氧代謝的基因在古海洋中的起源和在現(xiàn)代海洋中的維持機(jī)制-41776129

2. 國家自然科學(xué)基金-重大研究計劃-玫瑰桿菌參與海岸潮間帶沉積物無機(jī)氮、硫循環(huán)的研究- 92051113

3.  中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部-國家重點(diǎn)研發(fā)計劃-深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備重點(diǎn)專項-項目名稱：海斗深淵環(huán)境特征與生命演化過程 課題名稱：超嗜壓微生物的深時與淺時演化過程-2018YFC0309800

4. 深圳市項目-基礎(chǔ)研究（學(xué)科布局）-基20180279 深圳海域造礁石珊瑚共生細(xì)菌基因組學(xué)研究-JCYJ20180508161811899

 

 

原文轉(zhuǎn)載

香港中文大學(xué)傳訊及公共關(guān)系處 二零二一年十二月二十四日《中大學(xué)者發(fā)現(xiàn)驅(qū)動超微型海洋細(xì)菌演化的關(guān)鍵作用力 助重新認(rèn)識其固碳效率》