编译：微科盟小花，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。
珊瑚的黏液、组织和骨架组成了不同的微生物群，但这些珊瑚区室如何塑造微生物的进化仍未探究。本文以珊瑚Platygyraacuta及Rhodobacteraceae为研究对象，从3个珊瑚区室（粘液、骨骼和组织），分离出Rhodobacteraceae的2个谱系，一个是普遍与珊瑚有关的Ruegeria（20个分离株），另一称作Rhodobacteraceae（214个分离株），并对234株细菌分离株进行了全基因组测序。
结果表明定殖在珊瑚中的2个不同种群分化成粘液和骨骼两个分支，clade-M和clade-S。clade-M具有利用富含黏液的珊瑚渗透压物质（如甲胺类、DMSP、牛磺酸、L-脯氨酸等）的功能，clade-S独特地具有促进低能、日缺氧骨架适应（如硫氧化、游泳运动等）的特性。而珊瑚区室的异质性驱动了细菌的群体进化，分离自不同海洋环境的细菌扩展分析也证实了这一观点。Slatkin-Maddison试验表明珊瑚区室间扩散限制是微生物种群多样化的一个关键机制。综上，研究结果表明，不同的珊瑚区室代表着不同的生态和微观环境上分开的生境，这些生境驱动着珊瑚微生物的进化。
论文ID
原名：PopulationdifferentiationofRhodobacteraceaealongwithcoralcompartments
期刊：ISMEJournal
通讯作者：罗海伟
通讯作者单位：香港中文大学生命科学学院
DOI号：10.1038/s41396-021-01009-6
实验设计
结果与讨论
我们进一步研究了这20个菌株的ANI和16SrRNA基因同一性，这是通常用于细菌种类划分的标准方法。基于ANI或16SrRNA基因的遗传聚类群与系统发育聚类一致（图1B）。在每个分支中，ANI和16SrRNA基因同一性都高于通常用于描述细菌物种的水平，分别为95.0%和98.7%。在clade-M和clade-S之间，ANI低于89.9%（表1，图1B），但16SrRNA基因的平均同源性大于99.7%（表1，图1B）。考虑到16SrRNA基因没有在物种水平上提供足够的分辨率，我们假设每个分支可能代表一个独特的物种，物种形成过程可能已经完成。我们对这一假设进行测试，如下所示。
表1Ruegeria和Rhodobacteraceae种群的遗传变异。
图1Ruegeria种群的系统发育和种群分化。（A）从珊瑚物种中分离出的20个菌株的最大似然系统发育树（登记号见表S6）。这棵树用点生根法绘制。节点处的实心圆圈表示分支的支持值为100%。clade-M的生命周期评价、clade-M内五个粘液菌株的生命周期评价和clade-S的生命周期评价分别显示为蓝色三角形、红星和粉色三角形。从不同珊瑚区室分离的菌株以不同颜色突出显示。clade-M和clade-S也被标记。（B）20个菌株全基因组平均核苷酸同一性热图和16SrRNA基因成对同一性热图。（C）来自clade-M和clade-S的12个分离株的精细结构共同化学矩阵，较暖的颜色代表相比之下，菌株之间共享的更多祖先。分配给同一fineSTRUCTURE群体的菌株与矩阵左侧的竖条相连，树形图显示fineSTRUCTURE群体的聚类。（D）通过Jaccard距离测量的附属基因含量相似性的热图，较暖的颜色代表菌株之间较高的相似性。基于完全连锁聚类方法生成左树图。
系统发育树的分支模式不能总是代表群体结构，因为重组的速度和影响可能会显著影响细菌的进化。为了阐明种群细分是否发生在clade-M和clade-S之间，我们采用fineSTRUCTUREv2.0.7进行两个分支的核心基因组比对。来自clade-M和clade-S的12个菌株被分成7个亚群，3个在clade-S中，4个在clade-M中（图1C）。每个分支的共同祖先比例远大于分支之间的比例（图1C），这表明两个分支之间的同源重组存在强大的屏障。共生化种群和系统发育群之间总体一致的分支模式表明clade-M和clade-S分化为两个物种。与分支内的基因流相比，分支间减少的基因流还通过两个分支之间减少的ρ/θ比和r/m比得到支持(附文本2.1,表S1)。此外，Fst(种群分化的衡量指标)在整个核心基因组中进行了估算，全基因组Fst值较高(≥0.5)，表明两个进化支之间的物种形成接近完成（图S2，附文本2.1）。
核心基因组区域与远缘谱系的重组可能是驱动玫瑰杆菌种群分化的关键机制。这种等位基因替换预计将在受影响基因中基本上中性的同一位点留下核苷酸替换率的强信号。我们最近开发了一个分析流程，通过对所有可能的基因组对之间的dS值进行聚类，并跨越所有共享的单拷贝基因家族，提取出其中的基因座。该过程由167个单拷贝基因家族组成的异常聚类的识别，每个家族显示异常大的分支间dS值（表S2，图2）。新等位基因替换这些位点可能发生在clade-M（在图1A中用蓝色三角形标记）或clade-S（在图1A中用粉红色三角形标记）的最后一个共同祖先（LCA）上，等位基因替换推断的进化史将在以下章节中讨论（图S4，图S5-S11）。
上述分析证明了核心基因组中，clade-M和clade-S的遗传分离现象。我们进一步研究群体分化是否也发生在附属基因组中（不是所有clade-M和clade-S成员共享的基因）。基于基因存在/缺失模式的聚类谱系图（图1D）显示，每个分支内的附属基因含量相似性高于分支间的相似性。基因含量树图（图1D）和基于核心基因的系统发育树（图1A）之间的分支模式一致表明，群体分化发生在附属基因组上。在3202个附属基因家族中，有194个和157个家族普遍存在于分支机构成员中。使用“分支特异性基因家族”的宽松定义，其中至少三分之二的基因存在于一个分支菌株中，不超过三分之一的菌株存在于其他分支中，我们发现了536和365个对clade-M和clade-S特异的基因家族（表S3，表S4和图2），表明这两个分支在许多分支特异性功能中具有多样性。
许多clade-M特异性基因可能参与了这种甲胺的利用。甲胺可以通过多种转运蛋白转运到细菌细胞质中。例如，GBT可能通过ABC转运蛋白ProVWX被接收。GBT前体，GPC和胆碱，可能分别通过ABC转运蛋白UgpABCE和BCCT转运蛋白BeT被同化。clade-M成员特别包含所有三种转运蛋白的额外拷贝（表S3，图3）。在进入细胞质后，GBT、GPC和胆碱的代谢途径在很大程度上重叠（图3）。胆碱要么掺入磷脂酰胆碱（PC），要么进行脱甲基降解。对于前者，编码胆碱激酶（cki1，表S3）的同化关键基因对clade-M是特异性的。对于后者，胆碱在去甲基化前被有氧氧化为GBT（图3）。包括胆碱脱氢酶（betA，表S3）和甜菜碱醛脱氢酶（betB，表S3）在内的关键基因是clade-M特异性基因的一部分（图3）。
Roseobacter成员通常通过sox和cox基因簇分别氧化还原硫和一氧化碳来保存能量。我们在clade-S的所有成员中发现了一个完整的sox基因簇，但是在clade-M只有一个菌株（HKCCD4884）（表S4），推断这个sox基因簇在clade-M的LCA成员中丢失。此外，两个编码I型（HKCCD4315_03676-03684）和II型（HKCCD4315_03987-03970）一氧化碳脱氢酶（codh）的cox基因簇被两个clade家族共享。其中，一氧化碳氧化不可或缺的I型cox基因簇，显示了异常大的分支间dS值，表明两个分支间一氧化碳氧化的基因组起源不同。构成I型cox簇的基因系统发育树显示，clade-S的LCA在cox基因簇中经历了不同的等位基因替换（图S4对图S8）。加上sox基因簇的存在，clade-S成员似乎使用了更通用的节能策略来适应能量有限的珊瑚骨骼生态位。
除HKCCD7318外，所有clade-S成员都携带由36个基因组成的完整fla1基因（图5A）。相比之下，包含17个连续基因和flgI基因部分的两个DNA片段（表S4）在分支M成员中缺失（图5A），并且推断它们在clade-M的LCA中丢失了。这些丢失的基因参与鞭毛的多组分的组装，包括III型分泌系统的组分（flhA、flhB、fliQ和fliR）、P-和L-环（flgA和flgH）、运动蛋白（motB）、基体蛋白菌株HKCCD7318是clade-S成员的一个例外，也携带截短的fla1簇，但与clade-M成员相比，它包含5个以上编码Ⅲ型分泌系统组分和基体的基因（表S4，图5A）。我们的实验分析显示，具有完整fla1集合的clade-S成员（HKCCD5849和HKCCD7319）显示出比clade-M成员和HKCCD7318更大的泳圈，后者携带截短的fla1簇（图5B）。在所有受试中未观察到群集或蹭行运动（图5B）。先前对球形红细菌的研究表明，fla1簇的表达在厌氧条件下受到正向调节，这可能是该细菌对氧或替代电子受体（例如，DMSO和TMAO）对缺氧条件的气相催化反应的部分。这有助于解释为什么一些分支成员的完整fla1保持不变。如上所述，珊瑚骨架变得周期性缺氧，并且保持的运动性可以促进清除骨架中的氧和替代电子受体。
若第二个假设为真（图S11），不同的珊瑚室可能不是驱动clade-S和clade-M之间物种形成的初始力量。相反，这两个分支可能已经在其他环境中分化，并在整个进化过程中反复定居在珊瑚宿主的不同隔间。不同珊瑚室的环境异质性可能会对局部细菌施加不同的选择力，并丰富适应最好的分支成员，这反过来可能会加速两个分支的多样化。