放线菌鞭毛起源和退化研究取得新进展

中国科学院南海海洋研究所研究员高贝乐团队在放线菌鞭毛起源和退化研究中取得新进展。近日，相关成果在线发表于mBio。

论文共同第一作者、中国科学院南海海洋研究所助理研究员朱思琦表示，该研究对目前已知的放线菌门下的所有谱系的鞭毛基因分布和组成，结合生理、生态等特征进行了全面分析。研究结果表明，放线菌的祖先具有完整的鞭毛基因，主要通过垂直传递的方式遗传给子代。

据介绍，放线菌门早期进化的谱系主要分布在水生环境中，这些单细胞物种普遍保留了鞭毛基因；随后进化的谱系（放线菌纲）大多与宿主相关或分离自土壤环境，并且能够形成菌丝体并具备复杂的细胞周期，这些谱系经历了多次鞭毛基因的丢失事件。能够形成游动孢子的放线菌只在单细胞的孢子形成阶段利用鞭毛运动，一旦孢子萌发就开始丢失鞭毛并丧失运动性。为了保留鞭毛基因，研究人员发现这些基因组中具备更多的c-di-GMP合成酶和趋化类型，可能用以协调鞭毛基因的表达和细胞周期。

放线菌门随后进化的谱系除了鞭毛基因的大量丢失外，保留鞭毛的物种在其结构上也经历了退化。早期出现的谱系具有与模式生物相似的鞭毛组分，而后期进化的谱系丢失了部分鞭毛基因，其中最显著的是鞭毛的远端杆组分FlgFG，形成了目前已知的最简单的鞭毛杆结构。FlgFG是鞭毛杆-鞭毛钩连接的分子基础，这说明目前基于沙门氏菌的组装模型并不适用于这些物种。由于鞭毛杆内嵌于细胞壁之中，必须与周围结构协同进化，我们推测这些没有FlgFG的放线菌在细胞壁结构上也发生了改变。此外，随着鞭毛结构的改变，后期进化的放线菌的趋化类型也从F1型变成了F5型。

“该研究通过深度的基因组学分析，揭示了放线菌鞭毛基因的起源和零星分布之谜，为放线菌物种演化与鞭毛丢失之间的联系提供了独特见解。”论文通讯作者高贝乐表示，作为放线菌鞭毛退化的产物，最简单的鞭毛杆有望成为合成生物学中重构纳米机器的模型。

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放线菌鞭毛进化示意图。研究团队 供图

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放线菌鞭毛的退化。研究团队 供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1128/mbio.02526-23