陷入季节轮回的细菌

位于美国威斯康星州的门多塔湖具有显著的季节性变化——冬季冰封，夏季被藻类覆盖。

在近期发表在《自然·微生物学》研究中，一个研究团队分析了门多塔湖在20多年间收集的471个水样，并重建了每个样本的宏基因组——涵盖细菌及其他生物体DNA片段的完整基因序列集合。

这些数据档案构是迄今为止从自然生态系统中获取的最长宏基因组时间序列，为探索微生物生态和进化的动态提供了全新的视角。

 复杂但有迹可循 

在新的研究中，研究团队利用超级计算机重建了2855个具有代表性的物种基因组，共完成了超过3万个基因组的拼装。研究人员将这一过程形象地比作拼接一本被拆散的书：每个基因组像一本书，DNA片段如同被打乱的句子。科学家需要弄清楚每个句子属于哪本书，并将它们按正确顺序拼接。

他们的研究结果表明，门多塔湖中的细菌种类和菌株遵循周期性的季节变化模式。约80%的物种展现出季节性循环模式，而约20%的物种则经历了年代际变化。这些结果出乎研究团队的意料，他们原本以为只能发现少数特别显著的变化，但事实证明，基因组变化在细菌群落中是如此普遍且频繁。

门多塔湖中的大多数细菌物种会随着季节变化迅速进化，并在过去20年中每年恢复到相似的状态。图中的蓝点表示Nanopelagicus属内各物种在基因上随时间发生的变化程度，黑线则为6个月移动平均值。（图/University of Texas at Austin）

研究团队还发现，尽管基因变异会随着世代交替而波动，但许多物种几乎完全恢复到其在1000代进化压力前的基因状态。这种周而复始的季节性循环，仿佛让进化成为一部不断回到起点的电影，反复上演，似乎毫无进展，却暗藏深刻的适应机制。

此外，这项研究还揭示了一些更持久的基因变化。2012年，门多塔湖经历了极端气候条件：冰盖提前融化，夏季异常炎热干燥，流入湖泊的河流水量减少，而作为细菌有机氮重要来源的藻类数量也显著减少。研究团队发现，这一年，湖泊中的细菌群落中许多与氮代谢相关的基因发生了显著变化，这可能正是由藻类的稀缺引发的。研究人员指出，如果突变发生在具有独特生态功能的菌株上，可能对整个生态系统的功能产生深远影响。

  理解微生物生态的新起点 

总的来说，在长达20年的研究期间，门多塔湖中最丰富的物种中有约20%在菌株水平上经历了显著的长期变化。这一发现得益于高分辨率的数据集，使科学家能够突破“看不见的现在”的限制，深入理解微生物群落的动态变化。

与此同时，在另一项相关研究中，研究人员聚焦于门多塔湖的病毒群落。他们分析了130万个病毒基因组，揭示了病毒种群的季节性动态。他们发现，病毒与宿主的关系，以及病毒之间的竞争，呈现出高度紧密的动态。同时，研究还鉴定了大量辅助代谢基因，这些基因通过调节宿主代谢在生态系统功能中扮演了重要角色。

这两项研究都通过宏基因组学揭示了淡水微生物群中细菌和病毒的动态变化，凸显了生态系统的生态和环境驱动因素。研究人员表示，这些发现不仅改变了我们对微生物群落如何随时间变化的认知，也为探索微生物如何应对气候变化提供了宝贵的基础。他们强调，这仅仅是一个开始，未来的研究将进一步揭示微生物群落的复杂机制，推动生态与进化领域的持续发展。