PNAS | 美国印第安纳大学利用微生物种群动态研究揭示饥饿的细菌“寿命延长”！

细菌如何在长期的能量限制下生存这一更大的问题与理解人类和其他宿主的慢性侵染有关，并且与一些病原体如何容忍抗生素等药物有关。许多细菌感染难以治疗，部分原因是药物通常被设计为针对代谢活跃细胞的细胞机制。能量有限的细菌经常进入静止或休眠状态，使它们对药物治疗不太敏感（The ISME Journal | 从植物微生物组中探索原始环境的抗菌素耐药性！Science Advance | 美国科罗拉多大学研究揭示城市绿地土壤微生物群落结构和功能的全球同质化！）。在这样的条件下，病原体不仅可以持续存在，种群还可以进化出抗生素抗性，使问题变得更糟。

2021年8月17日，国际权威学术期刊PNAS发表了美国印第安纳大学Jay T. Lennon团队的最新相关研究成果，题为Microbial population dynamics and evolutionary outcomes under extreme energy limitation的研究论文。Lennon和他的团队解释了他们对封闭系统中大约100个不同细菌种群的研究，这些细菌在1000天内没有机会获得外部食物。研究人员跟踪了它们生存的时间，几乎所有的细菌都坚持了下来。该团队对长期饥饿状态下的微生物种群进行的一项研究可以帮助研究人员回答与慢性感染、环境中的细菌功能以及生命本身的持久性有关的问题。

微生物在环境中也发挥着重要作用。该研究中的细菌来自于农业土壤。在这些栖息地，微生物与植物形成了共生关系，它们进行着对生态系统的运作至关重要的过程，如碳固存、营养循环和温室气体排放。一个尚未解决的主要问题是数十亿个微生物细胞和数千个微生物分类群如何在一克土壤中共存，而且往往是在恶劣的环境条件下。该研究支持的一个解释是，微生物似乎很适应"时富时贫"的条件，即资源可能长期短缺。这可能有助于解释复杂的微生物群落是如何长期维持的。

在这项研究中，科研人员估计，细菌是地球上繁殖最快的生物体，也可以是极其长寿的。估计能量有限的细菌的寿命可以与植物和动物的寿命相媲美，在某些情况下甚至超过它们。该研究使用生存分析来估计，一些种群的灭绝时间长达10万年。显然这些预测远远超出了可以测量的范围，但是这些数字与从古代材料中找到的有生命力的细菌的年龄是一致的，比如琥珀、海洛因晶体、永久冻土和最深海洋底部的沉积物。

微生物在这种条件下的持久性可能涉及休眠和其他保存能量的机制。例如，Lennon团队发现，在他们的封闭系统中，细胞的生存是由细菌"清除"其死亡亲属的能力来维持的。在这样的条件下，细胞必须靠极少量的食物勉强生存，科研人员对细菌进化的潜力感到好奇。他们发现了处于负选择下的基因，但也有正选择的迹象，这表明隐性生长使新的突变频率增加。这一发现表明，死亡细胞的循环有可能为适应性进化提供动力。鉴于地球上大部分地区的能源有限，这样的观察与了解基本生物过程的限制有关。

图1. 在有效封闭系统中维持的能量有限的细菌类群中，生存曲线的形状是高度可变的

图2. 死亡较多的种群随着时间的推移，种群净增长率有较大的增长

图3. 每个分类群内非同义与同义突变的比例（pN/pS）为极端能量限制下的净化选择提供了证据

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