研讨应用迁移退化试验提醒分解生物建构道理

11月7日，《天然》（Nature）杂志以长文方式揭橥了中国迷信院深圳先辈技巧研讨院、深圳分解生物学立异研讨院研讨员刘陈立试验室和加州年夜学圣地亚哥分校传授华泰立试验室的协作结果《空间扩大生境定植的退化波动性战略》(An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats)。该研讨将空间定植、试验性退化与分解生物技巧联合起来，研讨物种空间定植的最优战略。研讨发明关于空间定植，并不是迁徙速度越快的种群越有优势，过快的迁徙速度会使种群变得不波动，轻易被迁徙速度小的种群所入侵，种群在分歧年夜小生境的定植，都对应着一个最优的迁移和发展战略。

研讨团队经过一个复杂的数学关系，总结了经过均衡发展和活动的退化战略来完成空间上的散布多样性纪律，该结果关于构建波动的分解多细胞零碎、说明均质情况下若何保持生物多样性、或猜测物种迁徙定植的最优战略等成绩供给了实际指点。该文章是深圳先辈院第一篇第一作者和最初通信作者单元文章。

起首，作者构建了细菌在软琼脂平板上迁移的试验性退化零碎（图1a）。复杂来说，将细菌接种在软琼脂上，细菌在不时向外迁徙扩大的同时会有部门细菌遗留定植上去，迁徙前缘的细菌逐步布满整板，同时迁徙前方遗留定植上去的细菌发展至养分耗费殆尽。之后挑取分歧地位的细菌，辨别转接到新颖预备的软琼脂上，迁徙发展至整板后，辨别从这些平板上挑取之前异样地位的转接至新颖预备的软琼脂平板上，反复上述步调。

细菌群体的迁徙速度的变更呈发散状变更，可以在远处定植的细菌的迁徙速度变年夜，而接近中间定植的细菌的迁徙速度变小（图1b）。迁徙速度变小这一景象出乎研讨人员的料想。从直觉上讲，种群经过迁移扩大取得养分或新的生活情况，疾速的迁移扩大似乎对物种的定植有利。那为什么试验上会呈现迁徙速度不时退化变慢的情形呢？进一步剖析这个变更趋向，作者认识到空间上存在一个十分特殊的地位（约15mm）。每次在这个地位定植的细菌，迁徙速度没有变更。换一句话说，就是这个地位定植的在退化上是波动的。

其次，作者剖析分歧迁徙速度菌株独自在软琼脂平板上迁徙的动力学特点，成果显示遗传均一种群独自迁徙扩大时，的确是迁徙速度快的菌株具有相对优势。但是，不均一的两个种群（表型上迁徙速度分歧）同时迁徙扩大时，空间上存在一个转机点dx，该处快慢两者顺应性雷同，在转机点以外的空间迁徙速度快的占领优势，在转机点以内的空间迁徙速度慢的占领优势（图2a，2b），这阐明种群在分歧地位的顺应性依附于其它种群的存在。经过分歧退化渐变菌株与野生型菌株的两两竞争试验和数学模子模仿猜测这一竞争性发展迁徙景象具有广泛性（图2c，2d）。

作者接着应用分解生物技巧构建了两个负反应调控菌株。这两个分解菌株可以在各自引诱剂掌握下，线性改动迁徙速度，而坚持其它心理参数不变（图3a，3b）。应用这两个配景“洁净”菌株的两两竞争试验验证了竞争性发展迁徙模子，说明了转机点的发生机制，并且这与试验记载到的两菌竞争性迁徙的动力学特点相吻合（图3c）。

当两菌竞争扩大到三个菌之间的竞争时(图4)，成果显示三菌竞争会构成两个转机点，除了速度年夜的在外边占优势、速度慢的在里边占领优势外，两头还夹着一个空间区域，两头速度的菌在此区域内占优势。

假如快菌、慢菌的迁徙速度无穷接近两头菌株的迁徙速度时，两头区域会逐步被挤压成一个点，两头速度菌株在该地位处占领优势且不会被其它速度的菌株入侵，是以可以推出每个空间地位都对应着一个能在此定植的波动迁徙速度。经过模子拟合分歧迁徙速度菌两两竞争的顺应性景不雅（图5a）。顺应性景不雅中每个生活域/地位都对应一个波动的均衡点（即最佳迁徙速度），具有最佳迁徙速度的种群不会被迁徙速度更年夜或更小的种群入侵（图5c），而这个最佳迁徙速度与生活域的年夜小成线性关系，这个线性关系的斜率由发展速度决议(图5b)。进一步的退化试验成果验证了该定量纪律。

基于该定量纪律，很轻易揣测出，只需掌握好迁徙速度和发展速度，就可以让分歧细胞有序且波动地散布在空间分歧区域。为了验证该揣测，作者构建了5株分歧迁徙速度的菌株。进一步试验标明，5株菌株从空间地方发展、增殖和迁徙，自觉性地定植在空间上分歧区域（图6）。

这篇文章中提醒的定量纪律，一方面可以指点分解生物学研讨者设计构建多细胞种群的空间有序构造，另一方面也可以启示生态退化学者关于均一情况下的种群共存等成绩的考虑。中科院院士和欧阳颀辨别赐与高度评价。(100yiyao.com）