近日，华东理工大学生物工程学院、生物反应器工程国家重点实验室刘琴教授课题组在细菌与噬菌体共进化方面取得了重要进展，解析了细菌抵抗噬菌体的遗传多样性与时序性变化规律，相关成果以“海洋气单胞菌与噬菌体的长期共进化揭示了噬菌体抗性与种群适应性的时序性动态变化规律”为题，在线发表于国际权威期刊《国际微生物生态学会杂志》(The ISME Journal，IF=11.0)。
在海洋生态环境中，细菌群落的多样性受到病毒群落的影响，是塑造海洋生态系统进化和生态的关键因素。细菌与噬菌体的实验性进化是研究微生物群落变化的简易模型，其中感染和抵抗动态过程导致群落的遗传分化和维持生物多样性。细菌能够通过改变脂多糖、外膜蛋白、鞭毛等表面结构以抵抗噬菌体吸附，也可以通过如CRISPR和Abi等方式，系统性抵抗噬菌体感染。在抵抗感染的过程中，细菌也可能会产生不同程度的抗性代价，如生长能力下降、毒力下降和抗生素敏感性提高等。上述细菌与噬菌体共进化的过程通常会被描述为军备竞赛动态(arms race dynamics)或波动选择动态(fluctuating selection dynamics)。然而，在抵抗噬菌体的过程中，细菌如何权衡自身的抗性成本并以何种方式维持着群落动态尚未被解析。
基于上述研究背景，本研究以重要的海洋病原菌杀鲑气单胞菌为研究对象，解析了其中不同的噬菌体抗性模式以及它们在时间尺度上如何驱动细菌的适应性变化。本研究鉴定了11个噬菌体抗性基因并按其功能分为3类：脂多糖(LPS)、外膜蛋白(OMP)和双组分系统(TCS)。在细菌与噬菌体的长期共进化实验中，研究人员发现，LPS和OMP的共突变是细菌抵抗噬菌体的主要方式，并且由于它们的抗性代价较低因此它们的突变在共进化中被保留。同时，研究人员首次发现细菌通过TCS抑制噬菌体转录而导致了不完全的噬菌体抗性，但是难以在共进化中被富集。通过对细菌群落的表征，研究发现：细菌在抵抗噬菌体初期的生长和毒力快速下降，表现为军备竞赛动态；随后趋于稳定，表现为波动选择动态。本研究的发现解析了共进化中海洋细菌群落动态变化过程和噬菌体抗性的进化权衡问题，有助于进一步在时间尺度上了解海洋微生物的相互作用，也为海洋病原菌的噬菌体治疗提供了理论支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01529-3
