1月15日，國際高水平期刊Science Advances在線發(fā)表了我院LorMe實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合北大和蘇黎世大學(xué)最新研究成果《Siderophore synthetase-receptor gene coevolution reveals habitat- and pathogen-specific bacterial iron interaction networks》，該研究是LorMe青年顧少華博士繼2020年發(fā)表在Nature Microbiology之后的又一重要突破，揭示了鐵載體合成基因與受體基因的協(xié)同演化關(guān)系，開發(fā)出高效預(yù)測鐵載體介導(dǎo)微生物互作網(wǎng)絡(luò)的新方法，為解碼微生物群落的生態(tài)演化機(jī)制提供了全新工具和理論基礎(chǔ)。

鐵是微生物生存必需但稀缺的元素。微生物通過鐵載體（siderophore）競爭獲取鐵資源，而這一過程對(duì)病原菌的生態(tài)適應(yīng)性、群落動(dòng)態(tài)及其入侵機(jī)制具有重要影響。然而，僅靠實(shí)驗(yàn)手段難以全面解析鐵載體介導(dǎo)的復(fù)雜微生物互作網(wǎng)絡(luò)。為此，研究團(tuán)隊(duì)以假單胞菌為模型，結(jié)合基因組挖掘與計(jì)算建模，成功突破這一技術(shù)瓶頸。研究成果揭示了鐵載體策略的多樣性與功能差異，闡明了鐵載體合成和識(shí)別基因的“鑰匙與鎖”協(xié)同演化機(jī)制，構(gòu)建了微生物鐵載體資源競爭模型。

該研究挖掘了近2000個(gè)假單胞菌基因組中鐵載體合成基因和識(shí)別基因，發(fā)現(xiàn)假單胞菌中存在三種鐵載體利用策略：“單受體生產(chǎn)者”（自給自足，不占其他菌株便宜）；“多受體生產(chǎn)者”（保證只有自己存在于環(huán)境中時(shí)有獨(dú)立攝取鐵的能力，也能占其他菌株的便宜）；“非生產(chǎn)者”（盡占其他菌株便宜）。系統(tǒng)分析鐵載體合成和識(shí)別基因的協(xié)同演化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在“鑰匙和鎖”的配對(duì)關(guān)系，進(jìn)而開發(fā)協(xié)同演化算法精準(zhǔn)預(yù)測鐵載體介導(dǎo)的微生物互作。構(gòu)建了迄今為止最大的微生物鐵載體互作網(wǎng)絡(luò)，揭示了病原菌傾向于利用專一的鐵載體策略構(gòu)建“閉合網(wǎng)絡(luò)”，減少資源共享；而非病原菌則通過多樣化策略形成“開放網(wǎng)絡(luò)”，促進(jìn)群落多樣性和共存。通過鐵載體資源競爭模型的構(gòu)建，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)病原菌試圖侵入菌群時(shí)，其成功與否取決于鐵載體“鑰匙”是否能被現(xiàn)有菌群“鎖”所欺騙或利用。

該研究首次從基因組序列層面提出了解析鐵載體介導(dǎo)微生物互作網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新方法，為微生物群落生態(tài)研究和次級(jí)代謝物功能解析提供了重要工具。未來，可將該方法拓展至多樣化的微生物組研究，助力精準(zhǔn)調(diào)控微生態(tài)和靶向消減病原菌，為一體化健康發(fā)展提供科學(xué)支撐。

該工作的第一作者為北京大學(xué)定量生物學(xué)中心/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的博士后顧少華（2020年南農(nóng)LorMe實(shí)驗(yàn)室畢業(yè)生），通訊作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的韋中教授，蘇黎世大學(xué)定量生物醫(yī)學(xué)系Rolf Kümmerli教授，和定量生物學(xué)中心/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心李志遠(yuǎn)研究員。相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。