中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室高貝樂研究員團(tuán)隊總結(jié)分析了放線菌鞭毛的退化性演化及其非鞭毛依賴的多樣化運動方式，并探討了這些現(xiàn)象與生態(tài)適應(yīng)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)演化間的關(guān)聯(lián)。相關(guān)成果以“Flagellar evolution and flagella-independent motility in Actinobacteria”為題，發(fā)表于微生物前沿領(lǐng)域研究的權(quán)威期刊Trends in Microbiology。中國科學(xué)院南海海洋研究所2020級博士生陳園園和助理研究員朱思琦為共同第一作者，研究員高貝樂為通訊作者。放線菌門（Actinobacteria）是細(xì)菌域中物種最豐富的細(xì)菌門之一，其成員廣泛分布于地球各個角落。雖然傳統(tǒng)觀點認(rèn)為大多數(shù)放線菌是不具備運動能力的，但近年來的研究揭示了一些關(guān)于該細(xì)菌門運動機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)，其中包括鞭毛的退化性演化及非鞭毛依賴的運動方式。
放線菌門的鞭毛進(jìn)化分析顯示，盡管該細(xì)菌門中僅有13%的物種攜帶鞭毛基因，但這些基因可能源自共同祖先并通過垂直遺傳得以保留。研究表明，生活在水生環(huán)境中的單細(xì)胞放線菌更傾向具有鞭毛，而生活在土壤的絲狀放線菌或宿主相關(guān)環(huán)境中的病原菌或共生菌則往往缺乏鞭毛。這種鞭毛的大量獨立丟失現(xiàn)象可能與放線菌向陸生絲狀生長或宿主相關(guān)生活方式的轉(zhuǎn)變有關(guān)。放線菌鞭毛的退化性進(jìn)化在具鞭毛物種的馬達(dá)組成上也有所體現(xiàn)。早期具有鞭毛的放線菌物種中存在完整的鞭毛桿成分，而在進(jìn)化晚期則出現(xiàn)部分丟失，主要缺失鞭毛桿的遠(yuǎn)端蛋白FlgFG。能形成游動孢子的放線菌物種例如Actinoplanes spp.具有極高的運動速度但沒有FlgFG，表明退化后的鞭毛依然具備運動功能。
當(dāng)鞭毛完全退化時，一些物種表現(xiàn)出非鞭毛依賴的運動能力。例如，鏈霉菌屬（Streptomyces spp.）可以通過“微生物搭便車”機(jī)制依附于其他細(xì)菌的鞭毛以實現(xiàn)孢子傳播。此外，鏈霉菌還展現(xiàn)了“探索性生長”的現(xiàn)象，其運動速度遠(yuǎn)超菌絲尖端的生長速度，并受到真菌或揮發(fā)性有機(jī)化合物的觸發(fā)。部分分枝桿菌（Mycobacterium spp.）如結(jié)核分枝桿菌則被觀察到具有滑行運動能力，但其分子機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。
鞭毛馬達(dá)跨越整個細(xì)菌細(xì)胞膜，因此膜結(jié)構(gòu)的變化不可避免地會影響馬達(dá)的組成、結(jié)構(gòu)和組裝。未來高分辨率冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展有望揭示放線菌門中鞭毛退化物種的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化。這些研究將幫助揭示鞭毛及其他細(xì)胞表面附屬物的存在或缺失、結(jié)構(gòu)多樣性和功能分化的決定因素。目前，放線菌門的大部分屬尚未深入研究，探索非傳統(tǒng)運動方式和潛在結(jié)構(gòu)將為其多樣性提供新的線索。
本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省科技計劃項目、南方海洋科學(xué)與工程引進(jìn)人才團(tuán)隊重點專項廣東省實驗室（廣州），以及中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院的資助。
相關(guān)論文信息：DOI: 10.1016/j.tim.2024.07.010
圖1 放線菌門多樣性
圖2 放線菌門的鞭毛退化性演化
附件下載：