链霉菌的种群结构及其形成动力：重组对塑造链霉菌种群的作用

The lack of investigation and understanding on bacterial and archaeal populations has resulted in heated debates on prokaryotic species. Furthermore, the newly appreciated widespread recombination in the microbial world, either in the form of homologous recombination between close relatives or horizontal gene transfer (HGT) between distantly related strains, has challenged our concepts of evolution. Streptomycetes are a complex group of filamentous bacteria, which are ubiquitous in nature, well known producers of antibiotics and bioactive compounds, and exhibit high levels of genetic, functional and ecological diversities. In this study, we will choose several representative Streptomyces species populations on the basis of the multilocus sequence analysis (MLSA) scheme we previously established for streptomycetes. We will dissect the population structures of different species, by means of population genetics and systematics, and by analysis and comparison of the homologous recombination rate, mutation rate and genetic structure. We will also quantify the frequency and range of homologous recombination and HGT among streptomycetes, using genomics and bioinformatics methods, and by analysis and comparison of genomic sequences between intraspecific populations and between closely related species, to uncover the effects of homologous recombination and HGT on ecological differentiation and genome variation among populations. The results of this study are expected to clarify whether recombination is the dominant inner force to shape and sustain Streptomyces species, and its contribution to the streptomycete diversity.

原核生物物种界定长时间备受争议主要是因为对微进化的基本单位-种群的研究和认识不足。重组在原核生物中广泛存在，主要以同源重组和基因横向转移(HGT)两种方式分别存在于近缘个体间和远缘个体间。链霉菌(streptomycetes)是一类有着简单形态分化的丝状细菌，以产生抗生素而著称，具有高度的遗传、功能和生态多样性。本项目以我们构建的链霉菌多位点序列分析(MLSA)平台为基础，选择代表性的链霉菌种群；运用群体遗传学和系统学手段，通过分析比较不同种群的同源重组率、突变率和遗传结构，解析链霉菌不同物种的群体结构；运用基因组学及生物信息学方法，通过分析比较种内不同亚群间和近缘种间的基因组序列，研究同源重组和HGT的频率和范围，揭示同源重组和HGT对链霉菌生态分化和基因组变异的作用。研究结果将阐明重组是否为链霉菌物种形成和维持的内在主动力及其对多样性的贡献，推动链霉菌微进化理论和物种概念的进一步发展。

微生物物种定义一直备受争议，解读代表物种基因组变异的微进化过程是进一步了解微生物物种形成的关键。链霉菌生态分布广泛，具有高度的环境适应性和种间种内多样性。本项目中，我们分别评估代表链霉菌物种及典型链霉菌的种间基因交流水平。基于保守基因位点的群体分析显示，重组和生态分歧共同作用于微黄白链霉菌种群分化，一方面同源重组起到种群内聚力的作用，另一方面，当种群局部适应生态环境，种群基因交流受到阻碍。对链霉菌典型模式种进行分析发现，链霉菌种间存在高水平的重组交流，链霉菌属呈垂直与横向相结合的网状进化。在链霉菌群体遗传结构的基础上，我们对全球范围分布的不同生境微黄白链霉菌种群进行全面基因组进化分析，识别并表征物种内部重组率。我们检测到三个明确的微黄白链霉菌系统基因组种源分支。第一分支主要包括自由生活（土壤/海洋来源）菌株，第二分支包含混合菌株，第三分支包含昆虫共生菌株。全基因组关联研究(GWAS)显示，微黄白链霉菌物种产生与自由生活或昆虫（指昆虫或与昆虫有关）栖息地相关的全基因组遗传变异，共同作用于链霉菌种群结构，并促进链霉菌物种的差异适应。各分支类群和自由生活分支内部同源重组率高于整个物种的基因组同源重组率，昆虫共生菌子集与其他谱系发生基因组基因交流少，表现出相对独立的进化轨迹。综上，我们的研究结果证明生态适应促使链霉菌物种发生遗传分化，提出链霉菌基于基因流的生态适应形成模型。物种是生态学、进化和物种形成的基本单位，在这项研究中，我们利用群体遗传学、群体基因组学对链霉菌种群及属间进行遗传差异扫描，为我们更深入理解链霉菌强的广泛生态适应性及物种形成的进化基础迈出了重要一步；我们也期望引起人们关注细菌物种内部被低估的多样性，为后续有效挖掘与生境相关的产物提供了新的关注点与思路。