1月15日，國際高水平期刊Science Advances在線發(fā)表了我院LorMe實驗室聯(lián)合北大和蘇黎世大學最新研究成果《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)同演化關系，開發(fā)出高效預測鐵載體介導微生物互作網(wǎng)絡的新方法，為解碼微生物群落的生態(tài)演化機制提供了全新工具和理論基礎。

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，而這一過程對病原菌的生態(tài)適應性、群落動態(tài)及其入侵機制具有重要影響。然而，僅靠實驗手段難以全面解析鐵載體介導的復雜微生物互作網(wǎng)絡。為此，研究團隊以假單胞菌為模型，結合基因組挖掘與計算建模，成功突破這一技術瓶頸。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別基因的“鑰匙與鎖”協(xié)同演化機制，構建了微生物鐵載體資源競爭模型。

該研究挖掘了近2000個假單胞菌基因組中鐵載體合成基因和識別基因，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)境中時有獨立攝取鐵的能力，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別基因的協(xié)同演化關系，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在“鑰匙和鎖”的配對關系，進而開發(fā)協(xié)同演化算法精準預測鐵載體介導的微生物互作。構建了迄今為止最大的微生物鐵載體互作網(wǎng)絡，揭示了病原菌傾向于利用專一的鐵載體策略構建“閉合網(wǎng)絡”，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”，促進群落多樣性和共存。通過鐵載體資源競爭模型的構建，進一步發(fā)現(xiàn)當病原菌試圖侵入菌群時，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微生物互作網(wǎng)絡的創(chuàng)新方法，為微生物群落生態(tài)研究和次級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，助力精準調控微生態(tài)和靶向消減病原菌，為一體化健康發(fā)展提供科學支撐。

該工作的第一作者為北京大學定量生物學中心/北大-清華生命科學聯(lián)合中心的博士后顧少華（2020年南農(nóng)LorMe實驗室畢業(yè)生），通訊作者為南京農(nóng)業(yè)大學的韋中教授，蘇黎世大學定量生物醫(yī)學系Rolf Kümmerli教授，和定量生物學中心/北大-清華生命科學聯(lián)合中心李志遠研究員。相關工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目和博士后創(chuàng)新人才支持計劃的資助。