细菌基因组歧化和遗传界限的产生：新物种形成的分子基础

Since the discovery of bacteria, scientists have attempted defining bacterial species but natural properties that can be used to clearly delineate bacteria on an evolutionary basis remain to be identified and characterized. The current criteria include DNA-DNA re-association rate at 70% and 16S rRNA sequence similarity at 97%. However, because both kinds of data are continuous, clear-cut genetic boundaries can hardly be determined among bacteria to define then as species. As a result, the current bacterial species tend to contain genetically as well as biologically quite diverse bacteria, making a name of bacteria meaningless. We have recently identified and characterized genetic boundaries among representative Salmonella lineages. In this application, we propose to experimentally validate these findings and determine whether the concept of genetic boundaries might be extended to other bacteria and whether the genetic boundaries can be used to define natural species of bacteria. We will use bacteria in the E. coli complex as the experimental system. We have a special E. coli resource, including a collection of strains isolated from more than 80 mammalian species and some birds. We already discovered genetic boundaries among the E. coli strains and here propose to find out whether E. coli from different host species may be defined as different natural species. This study may not only contribute to the bacterial taxonomy studies but also to evolutionary biology investigations.

基于天然特征对细菌进行分类是科学界尚未完全解决的问题，其焦点是如何界定细菌的物种及物种形成的机制。目前所用的DNA杂交和16S rRNA序列比对方法具有划时代意义，但因其参数都是连续性的，因此难以清晰区分近缘细菌。我们最近鉴定出了能清晰划定细菌种系群的遗传界限，其产生源自基因组歧化，与细菌新物种的形成密切相关。然而，由这种遗传界限所区分的细菌之间，可鉴定出上千种基因组歧化事件，但其中哪些可能导致了遗传界限的产生尚不清楚。在本项目中，我们拟以大肠菌和沙门菌为主要模型，探讨遗传界限的产生及其导致新物种形成的分子基础，并进一步验证其有关参数是否可广泛用于细菌天然物种的界定。我们所用细菌来自正常儿童、成年人和长寿老人，感染症和癌症患者，以及多种野生动物。这些细菌之间已经初显不同清晰度的遗传界限，适于细菌新物种的形成过程及其分子机制研究。我们对这个问题的探讨，将为细菌分类学的发展提供新的视角和理念。

中文摘要 (对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内)：..项目背景：如何界定细菌的天然物种及物种形成的机制是细菌系统学的核心问题也是科学界尚未完全解决的问题。目前人们用DNA杂交率大于等于70%和16S rRNA序列相似度大于等于97%来界定细菌物种的界限。然而，由于这两项指标都是连续性的，因此难以清晰地区分近缘细菌。为探讨这个问题，我们以沙门菌为模型鉴定出了能清晰划定沙门菌种系群的遗传界限。然而，这种遗传界限是否存在于更广泛的细菌尚不清楚。.主要研究内容：本项目的主要研究内容是要鉴定出此前所预测的导致细菌基因组歧化和遗传界限产生的分子机制，并对其加以深入分析，了解其在细菌新物种形成中的意义。我们以大肠菌和沙门菌为主要研究模型，深入探讨了遗传界限的产生及其导致新物种形成的分子基础，并进一步验证其有关参数是否可广泛用于细菌天然物种的界定。.重要结果：通过分析2280株来自正常儿童、成年人和长寿老人，感染症和癌症患者肠道内大肠杆菌的多样性，我们发现人体肠道内大肠杆菌具有不同的基因组结构，且不同人群中大肠杆菌的种类存在着显著差异。此项研究用实验证据检验了基于遗传界限定义细菌的天然物种的基本理论。我们已经将相关数据发表于BMC Genomics、Scientific Reports、Molecular Genetics and Genomics等SCI期刊上。.关键数据及其科学意义：本研究项目的重要意义在于确立了我们在沙门菌中发现的遗传界限也可应用于大肠杆菌。此外，我们也正在把这一研究扩展到其他细菌。如果普遍适用，这一研究将奠定细菌基于天然标准进行物种分类的分子基础。