微生物所黄英团队揭示链霉菌中强效但罕见抗生素基因簇的维持机制

链霉菌次级代谢产物被人类认识和利用已近一个世纪，然而决定其在链霉菌中分布格局的生态进化机制，至今在很大程度上仍未阐明。近日，中国科学院微生物研究所黄英团队在The ISME Journal上发表题为“Eco-evolutionary dynamics sustain a potent yet rare antibiotic gene cluster in Streptomyces”的研究论文，解释了链霉菌中强效次级代谢产物为何持续稀缺这一看似矛盾现象背后的机理。

该研究以链霉菌属中生态分布最广泛、公开基因组数量最多的物种—微黄白链霉菌（Streptomyces albidoflavus）为对象。通过种内互作实验，发现了一株对同种其他菌株具有强拮抗活性的“杀手”菌株，该活性由杂合芳香聚酮类抗生素越野他汀（kosinostatin）介导。进化基因组学分析表明，微黄白链霉菌的越野他汀生物合成基因簇是在相对较短的进化时间尺度内通过水平基因转移获得，与其在该物种、整个链霉菌属乃至放线菌门中均呈现零星分布的特征高度一致。微宇宙实验发现，越野他汀产生菌在液体培养条件下能够有效抑制敏感菌株，但在常规土壤环境中却未显现竞争优势，表明环境背景在调节该基因簇的适合度效益中发挥关键作用。此外，该基因簇带来的竞争优势仅当敏感菌株存在时才显现，揭示了适合度收益与代谢成本之间的权衡关系。这些结果凸显了条件依赖性选择在塑造越野他汀基因簇进化持久性中的核心作用。当前该基因簇在微黄白链霉菌中的分布格局，正是种内水平基因转移、垂直遗传与基因丢失多种过程动态互作的结果。

该研究建立了一个生态进化整合框架，阐明了环境约束、适合度权衡与基因流动如何共同塑造链霉菌物种的生物合成架构，为天然产物发现中普遍存在的高重复率问题提供了新的认识视角。

图1. 微黄白链霉菌中越野他汀生物合成基因簇的结构、分布和进化分析

图2. 微宇宙实验中越野他汀产生菌（FXJ6.189）、耐药菌（FXJ6.189ΔksnC3）和敏感菌（CR15）之间的进化动力学

中国科学院微生物研究所已毕业博士生王姣为该论文第一作者，黄英研究员为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和中国载人航天工程项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag060