11月7日,《自然》杂志以长文形式发表了中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院研究员刘陈立实验室和加州大学圣地亚哥分校教授华泰立实验室的合作成果《空间扩展生境定植的进化稳定性策略》。该研究将空间定植、实验性进化与合成生物技术结合起来,研究物种空间定植的最优策略。
研究发现对于空间定植,并不是迁移速率越快的种群越有优势,过快的迁移速率会使种群变得不稳定,容易被迁移速率小的种群所入侵,种群在不同大小生境的定植,都对应着一个最优的迁徙和生长策略。研究团队通过一个简单的数学关系,总结了细菌通过平衡生长和运动的进化策略来实现空间上的分布多样性规律,该成果对于构建稳定的合成多细胞系统、解释均质环境下如何维持生物多样性、或预测物种迁移定植的最优策略等问题提供了理论指导。
首先,作者构建了细菌在软琼脂平板上迁徙的实验性进化系统。将细菌接种在软琼脂上,细菌在不断向外迁移扩张的同时会有部分细菌遗留定植下来,迁移前缘的细菌逐渐布满整板,同时迁移后方遗留定植下来的细菌生长至营养消耗殆尽。之后挑取不同位置的细菌,分别转接到新鲜准备的软琼脂上,迁移生长至整板后,分别从这些平板上挑取之前同样位置的细菌转接至新鲜准备的软琼脂平板上,重复上述步骤。
细菌群体的迁移速率的变化呈发散状变化,能够在远处定植的细菌的迁移速率变大,而靠近中心定植的细菌的迁移速率变小。迁移速率变小这一现象出乎研究人员的意料。从直觉上讲,种群通过迁徙扩张获得营养或新的生存环境,快速的迁徙扩张似乎对物种的定植有利。那为什么实验上会出现迁移速率不断进化变慢的情况呢?进一步分析这个变化趋势,作者意识到空间上存在一个非常特别的位置。每次在这个位置定植的细菌,迁移速率没有变化。
换一句话说,就是这个位置定植的细菌在进化上是稳定的。