微生物群落是如何與環境一起，影響生物體型的

2020-09-03 科技工作者


實驗表明，具有正常微生物群的水螅（左）的觸鬚比滅菌後的同類水螅少。

自多細胞生命出現以來，就有大量微生物以它們為家。自然的微生物群（所有生活在生物體內和體表的細菌、病毒和真菌），對生物體來說是至關重要的。例如，它們會幫助宿主吸收營養物質或抵禦有害病原體。

科學家們一直認為，個體的生長發育是一個不受外部因素影響，完全由基因所決定的過程。然而，事實證據表明，發育過程並不是自動發生的。

大多數生物已經進化出識別環境變化的策略，並努力調整自身的生長和體型，以適應當時的條件。但是這種表型可塑性是如何被控制的，以及包括微生物影響在內的環境因素是如何被識別、整合到遺傳發育程序中的，直到最近才成為科學家們競相研究的主題。

美國「物理學組織」網站8月27日報導，在合作研究中心（CRC）1182「元生物的起源和功能」的框架之下，德國基爾大學和杜塞道夫大學的科學家們研究了淡水水螅的表型可塑性原理。他們觀察了溫度和某些定殖細菌對水螅個體發育的影響。

此外，研究人員還識別出水螅的兩個特定基因，並證明它們參與了一個對發育至關重要的信號通路。此信號通路與外界因素一起，共同控制著水螅體對環境信號的反應。相關研究近日發表在《美國國家科學院院刊》雜誌中。

水螅特別適合於發育生物學的研究，因為即使作為成年動物，它仍然能表現出胚胎的特徵，如無限的再生能力。

「水螅不會變老，它們控制發育的基因程序永遠運行著。」研究小組的領導者Sebastian Fraune教授解釋說，「這意味著成體依然可以在任何時候對外部因素變化作出反應，並據此改變體型。」

CRC1182的研究人員調查了動物的基因活動與環境條件變化的關係。他們識別出了兩個基因，並根據它們對環境的反應命名為「Eco1」和「Eco2」。目前，科學家們只在水螅體內發現了這兩個基因。研究小組將水螅分別置於12攝氏度和18攝氏度的環境中，發現在較冷的環境下，這兩個基因都被強烈地激活了。相比之下，人工去除水螅體內定殖的天然細菌後，這兩個基因的活性均顯著降低。

在確定了與環境感知有關的基因後，研究人員調查了這兩個變量對動物體型的影響：經滅菌處理的水螅傾向於形成更多的觸鬚。然而，低溫會導致觸鬚形成減少。這些表型適應是由一個特定的發育生物學過程控制的：Wnt信號通路。

Fraune解釋說: 「在動物王國裡，這些信號在進化早期就出現了，而且也與人類的發育過程有關，比如幹細胞調節。」

「通過實驗關閉環境基因Eco1和Eco2，我們證明這些基因可以抑制水螅體內的Wnt信號。」論文第一作者Jan Taubenheim博士說。外部因素如溫度或自然微生物群落的缺失直接影響到水螅個體發育程序的遺傳調控，從而影響體型的形成。

這項研究為該遺傳信息的重要性提供了佐證——正是這些快速進化的基因使不同的生物體可以適應新的棲息地。

編譯：橘子 審稿：西莫 責編：雷鑫宇

期刊來源：《美國國家科學院院刊》

期刊編號：0027-8424

原文連結：https://phys.org/news/2020-08-environment-microbiome-jointly-body.html

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