水平基因轉(zhuǎn)移作為微生物進(jìn)化與生態(tài)適應(yīng)的核心驅(qū)動力，深刻影響著基因組結(jié)構(gòu)、功能多樣性及群落動態(tài)，深入解析這一過程的調(diào)控機(jī)制，將為合成生物學(xué)和微生物組工程提供突破性的研究工具與理論框架。水平基因轉(zhuǎn)移作為微生物進(jìn)化與生態(tài)適應(yīng)的核心驅(qū)動力，深刻影響著基因組結(jié)構(gòu)、功能多樣性及群落動態(tài)，深入解析這一過程的調(diào)控機(jī)制，將為合成生物學(xué)和微生物組工程提供突破性的研究工具與理論框架。然而，該領(lǐng)域仍面臨重大挑戰(zhàn)：微生物間通過質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和噬菌體等載體形成的基因流動網(wǎng)絡(luò)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更在生態(tài)演替過程中呈現(xiàn)動態(tài)變化特征。這種復(fù)雜性使得精確調(diào)控基因流動成為當(dāng)前研究的難點(diǎn)，其根本原因在于我們對這一復(fù)雜過程的基本定量規(guī)律缺乏理性認(rèn)知。針對這一科學(xué)瓶頸，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所王騰研究員發(fā)表系列研究，構(gòu)建了跨尺度研究體系：通過整合定量實(shí)驗(yàn)、計(jì)算模型和組學(xué)大數(shù)據(jù)，從個(gè)體細(xì)胞、單一群落、集合群落三個(gè)復(fù)雜度層次，時(shí)空兩個(gè)維度，系統(tǒng)探索了水平基因轉(zhuǎn)移的定量規(guī)律。這一多尺度研究框架為理解微生物基因流動提供了全新的理論基礎(chǔ)和方法學(xué)支撐。5月1日，王騰研究員課題組在Molecular Systems Biology上發(fā)表了題為"Spatial entropy drives the maintenance?and dissemination of transferable plasmids"的研究論文。該工作首次將物理學(xué)中“熵”的概念引入微生物生態(tài)學(xué)，揭示了空間結(jié)構(gòu)驅(qū)動基因水平轉(zhuǎn)移的普適機(jī)制。質(zhì)粒作為可轉(zhuǎn)移遺傳元件，是抗生素耐藥基因（ARGs）傳播的主要載體，其擴(kuò)散機(jī)制的研究對遏制耐藥性爆發(fā)至關(guān)重要。經(jīng)典理論基于均勻混合環(huán)境假設(shè)，提出質(zhì)粒維持需高轉(zhuǎn)移率閾值，但自然微生物群落普遍存在空間異質(zhì)性（如生物膜、微塑料聚集），現(xiàn)有模型難以解釋復(fù)雜環(huán)境中質(zhì)粒的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)理論預(yù)測與實(shí)際觀測的差距（如自然質(zhì)粒轉(zhuǎn)移率常低于理論閾值）表明，空間結(jié)構(gòu)對基因流動的影響尚未被充分解析，亟需建立整合空間異質(zhì)性的理論框架。本研究通過構(gòu)建集合群落動力學(xué)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與基因組大數(shù)據(jù)分析，揭示空間熵（量化空間異質(zhì)性的指標(biāo)）對質(zhì)粒傳播的核心作用。理論模擬表明，空間熵越低（即空間異質(zhì)性越高），質(zhì)粒的擴(kuò)散速度和全局維持能力越強(qiáng)。低熵環(huán)境通過增加局部細(xì)胞密度波動，提升了質(zhì)粒的有效轉(zhuǎn)移率，從而突破了經(jīng)典理論預(yù)測的質(zhì)粒維持閾值，使得低轉(zhuǎn)移效率的質(zhì)粒也能長期存在。在大腸桿菌的合成微生物群落中，人為調(diào)控空間熵（通過調(diào)整細(xì)胞密度分布）證實(shí)了低熵環(huán)境顯著提高質(zhì)粒傳遞效率。進(jìn)一步分析34,688個(gè)原核基因組大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，攜帶生物膜形成相關(guān)基因（BFGs，低熵環(huán)境標(biāo)志）的原核生物基因組中，質(zhì)粒、抗生素抗性基因（ARGs）、轉(zhuǎn)座酶和毒素/抗毒素系統(tǒng)基因更豐富，驗(yàn)證了低熵環(huán)境促進(jìn)可移動遺傳元件（MGEs）的進(jìn)化優(yōu)勢。?本研究首次將物理學(xué)“熵”概念引入微生物生態(tài)學(xué)，揭示了空間結(jié)構(gòu)驅(qū)動基因水平轉(zhuǎn)移的普適機(jī)制，挑戰(zhàn)了均勻環(huán)境假設(shè)下的經(jīng)典理論，為耐藥性傳播預(yù)測提供了新思路，推動生態(tài)學(xué)與進(jìn)化理論的整合。實(shí)際應(yīng)用中，提出通過調(diào)控環(huán)境熵（如破壞生物膜、減少微塑料污染）抑制ARGs擴(kuò)散的策略，為公共衛(wèi)生管理及微生物組工程提供了關(guān)鍵理論工具，為抗生素抗性管理提供新靶點(diǎn)（如干預(yù)生物膜形成）。此外，跨學(xué)科整合模型構(gòu)建-實(shí)驗(yàn)-大數(shù)據(jù)的方法，為解析復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的進(jìn)化動力學(xué)樹立了范例。3月3日，王騰課題組在eLife上發(fā)表了題為“Emergence of alternative stable states in microbial communities undergoing horizontal gene transfer”的研究論文。該工作基于多尺度微生物生態(tài)學(xué)模型，系統(tǒng)揭示了復(fù)雜微生物生態(tài)系統(tǒng)中多穩(wěn)態(tài)的涌現(xiàn)機(jī)制。? 微生物群落在相同環(huán)境中常呈現(xiàn)不同的穩(wěn)定狀態(tài)，但其多穩(wěn)態(tài)的起源機(jī)制尚不明確。以往研究聚焦于物種互作和資源競爭，而水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）作為微生物進(jìn)化的重要驅(qū)動力，其作用長期被忽視。HGT通過可移動遺傳元件（MGEs）改變宿主生長速率和種間相互作用，可能重塑群落穩(wěn)定性，然而HGT如何影響多穩(wěn)態(tài)的形成仍缺乏系統(tǒng)性研究。理解這一機(jī)制對揭示微生物群落動態(tài)及調(diào)控具有重要意義。本研究構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值模擬分析HGT對微生物群落穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示，HGT通過促進(jìn)物種間基因交流，顯著增加兩物種及多物種群落的穩(wěn)態(tài)數(shù)量，尤其在生長速率相近且競爭激烈的物種中更為顯著；MGEs的表型效應(yīng)（如增強(qiáng)生長或改變競爭強(qiáng)度）決定HGT對多穩(wěn)態(tài)的促進(jìn)或抑制作用，正向表型效應(yīng)擴(kuò)大穩(wěn)態(tài)區(qū)域，而負(fù)向效應(yīng)削弱；在抗生素選擇壓力下，HGT使耐藥基因擴(kuò)散，創(chuàng)造新穩(wěn)態(tài)；集合群落模擬表明局部多穩(wěn)態(tài)通過空間異質(zhì)性提升區(qū)域多樣性。研究還探討了稀釋率、質(zhì)粒互作等參數(shù)的影響，驗(yàn)證了模型的穩(wěn)健性。本研究首次系統(tǒng)揭示了HGT驅(qū)動微生物群落多穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，填補(bǔ)了生態(tài)與進(jìn)化理論的空白。結(jié)果為預(yù)測群落狀態(tài)轉(zhuǎn)變（如腸道菌群失調(diào)）、設(shè)計(jì)微生物工程策略（如通過抑制HGT穩(wěn)定有益群落）提供了理論依據(jù)。同時(shí)，闡明了局部多穩(wěn)態(tài)對區(qū)域多樣性的貢獻(xiàn)，為生態(tài)保護(hù)和生物修復(fù)提供了新思路。這一框架將促進(jìn)跨尺度微生物動態(tài)研究，助力精準(zhǔn)調(diào)控復(fù)雜微生物系統(tǒng)。此前不久，王騰團(tuán)隊(duì)在Communications Biology上發(fā)表了題為“The evolutionary landscape of prokaryotic chromosome/plasmid balance”的研究論文。該工作解析了原核生物染色體/質(zhì)粒平衡的多層次選擇機(jī)制，為質(zhì)粒的演化動力提出了全新的理論框架。質(zhì)粒作為原核生物中廣泛存在的可移動遺傳元件，在微生物進(jìn)化、抗生素抗性傳播及病原毒力擴(kuò)散中扮演核心角色。依據(jù)傳統(tǒng)達(dá)爾文進(jìn)化理論，質(zhì)粒的存續(xù)依賴于宿主表型選擇（如宿主生長負(fù)擔(dān)的降低），但近年研究發(fā)現(xiàn)，非表型選擇（如質(zhì)粒自身復(fù)制效率、水平轉(zhuǎn)移能力）同樣顯著影響其穩(wěn)定性。例如，人類腸道中廣泛存在的pBI143質(zhì)粒雖無明確功能基因且面臨強(qiáng)選擇壓力，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)表型選擇范式。然而，現(xiàn)有研究多聚焦單一選擇壓力，對兩種力量如何共同塑造染色體/質(zhì)粒平衡缺乏系統(tǒng)性定量模型，尤其缺乏對代謝資源分配、宿主基因組規(guī)模等內(nèi)在因素的動態(tài)解析。這一理論空白限制了對質(zhì)粒多樣性的進(jìn)化解釋，也阻礙了臨床耐藥基因傳播的精準(zhǔn)干預(yù)。本研究構(gòu)建了一個(gè)代謝通量模型，模擬染色體與質(zhì)粒基因在細(xì)胞內(nèi)資源競爭中的動態(tài)平衡。通過粗粒化隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通量平衡分析，模型量化了表型選擇（宿主生長負(fù)擔(dān)）與非表型選擇（質(zhì)粒自我維持能力）的強(qiáng)度，揭示二者隨質(zhì)粒/染色體大小變化的權(quán)衡關(guān)系。模型預(yù)測了質(zhì)粒進(jìn)化中的“最優(yōu)平衡點(diǎn)”，并通過分析NCBI數(shù)據(jù)庫中15,713個(gè)含質(zhì)粒的原核基因組數(shù)據(jù)驗(yàn)證：染色體增大推動質(zhì)粒規(guī)模上限提升，而小質(zhì)粒因非表型選擇壓力易被淘汰，與理論預(yù)測的進(jìn)化景觀一致。該研究提出“多層次選擇”理論框架，首次將表型與非表型選擇的動態(tài)拮抗關(guān)系定量化，為質(zhì)粒多樣性起源提供了普適性解釋。理論層面，模型揭示了原核生物基因組可塑性的進(jìn)化邊界，即染色體規(guī)模通過代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度調(diào)控質(zhì)粒存續(xù)閾值，這為理解古菌-細(xì)菌質(zhì)粒分布差異提供了新視角。實(shí)踐層面，研究對臨床控制耐藥基因傳播（如優(yōu)化質(zhì)粒干預(yù)策略）和合成生物學(xué)（如設(shè)計(jì)穩(wěn)定工程質(zhì)粒）具有應(yīng)用價(jià)值。此外，研究強(qiáng)調(diào)代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度對質(zhì)粒動態(tài)的影響，為評估病原菌風(fēng)險(xiǎn)提供了新思路。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的博士后薛文智（MSB共同一作，Communications Biology一作）和研究助理洪居懇（MSB共同一作，eLife一作）為系列論文的第一作者。這些研究獲得了科技部合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，青年項(xiàng)目，深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院科研計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的支持。文章上線截圖文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s44320-025-00110-8圖1 本工作的核心研究思路文章上線截圖文章鏈接：https://doi.org/10.7554/eLife.99593.3圖2 水平基因轉(zhuǎn)移促進(jìn)群落多穩(wěn)態(tài)的涌現(xiàn)文章上線截圖文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s42003-024-07167-5圖3 染色體與質(zhì)粒基因在細(xì)胞內(nèi)資源競爭與動態(tài)平衡理論
隨著全球氮沉降持續(xù)加劇，其對氮限制區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響已有廣泛研究和報(bào)道；然而，長期氮輸入如何塑造氮飽和森林中不同生活型植物的生態(tài)策略仍不清楚。中國科學(xué)院華南植物園鼎湖山站研究團(tuán)隊(duì)依托廣東鼎湖山長期氮添加實(shí)驗(yàn)平臺（0、50、100、150 kg N ha?1 yr?1），系統(tǒng)分析了18年氮添加后氮飽和季風(fēng)常綠闊葉中喬木、灌木、草本共8種植物的15項(xiàng)葉片和22項(xiàng)細(xì)根功能性狀響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，長期氮添加對喬木、灌木和草本葉片（圖1）和細(xì)根功能性狀（圖2）均無顯著影響。葉片經(jīng)濟(jì)譜比根經(jīng)濟(jì)譜更能有效區(qū)分植物生活型；然而，長期氮添加沒有改變植物的養(yǎng)分獲取策略（圖3）。長期氮添加下植物葉片和細(xì)根性狀的表型可塑性均保持穩(wěn)定，然而高氮添加導(dǎo)致草本葉片性狀的整合性上升和細(xì)根性狀的整合性下降。該研究揭示了長期氮添加下氮飽和森林中植物功能性狀可能趨于穩(wěn)定，為基于植物功能性狀的模型預(yù)測長期氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也完善了氮限制生態(tài)系統(tǒng)中“性狀-環(huán)境”耦合關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng)認(rèn)知。相關(guān)研究以“Plant morphological and physiological traits are stable in a nitrogen-saturated tropical forest after 18-year nitrogen additions”為題于近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Plant and Soil（《植物和土壤》）。中國科學(xué)院華南植物園博士后余光燦為論文第一作者，鄭棉海研究員為通訊作者。該研究獲廣東省杰出青年基金等項(xiàng)目資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11104-025-07484-6圖1.長期氮添加對喬木、灌木和草本植物葉片功能性狀的影響圖2.長期氮添加對喬木、灌木和草本植物細(xì)根功能性狀的影響圖3.氮添加處理下15個(gè)葉片（a）和22個(gè)細(xì)根性狀（c）的主成分分析。（b）和（d）分別是葉片和細(xì)根功能性狀的貢獻(xiàn)值
優(yōu)質(zhì)豬肉產(chǎn)品已成為養(yǎng)豬業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要追求目標(biāo)。豬肉肌內(nèi)脂肪含量和肌纖維類型組成是影響肌肉性狀的關(guān)鍵因素，肌肉和脂肪組織作為機(jī)體重要的代謝與分泌器官存在互作，外泌體作為介導(dǎo)細(xì)胞互作的媒介也因此被廣泛研究。優(yōu)質(zhì)豬肉產(chǎn)品已成為養(yǎng)豬業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要追求目標(biāo)。豬肉肌內(nèi)脂肪含量和肌纖維類型組成是影響肌肉性狀的關(guān)鍵因素，肌肉和脂肪組織作為機(jī)體重要的代謝與分泌器官存在互作，外泌體作為介導(dǎo)細(xì)胞互作的媒介也因此被廣泛研究。近期，由中國工程院院士、中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員印遇龍領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)受邀在國際期刊The Innovation Life發(fā)表題為Intracellular and intercellular crosstalk between exosomes and autophagy的前沿論述，并被選為期刊封面。碩士研究生李奇隆為第一作者，李鳳娜研究員為通訊作者。該論文聚焦“自噬依賴的分泌如何調(diào)節(jié)自噬”這一主線思路，立足于兩者的穩(wěn)態(tài)作用，從細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間兩個(gè)維度，全面系統(tǒng)地總結(jié)了外泌體與自噬的交互作用。在細(xì)胞內(nèi)，兩者的聯(lián)系主要取決于多囊泡體和自噬體的命運(yùn)走向以及自噬相關(guān)蛋白的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)功能；在細(xì)胞間，供體細(xì)胞分泌的外泌體被靶細(xì)胞內(nèi)化后，通過其內(nèi)容物miRNA和蛋白激活或抑制自噬相關(guān)信號，并同時(shí)關(guān)注在細(xì)胞器層面的基于選擇性自噬而形成的自噬體與多囊泡體的相互關(guān)系及其分泌后如何去調(diào)節(jié)細(xì)胞器自噬，為理解肌肉與脂肪互作及營養(yǎng)素對胞內(nèi)細(xì)胞器的命運(yùn)決定提供嶄新思路。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U22A20516）、生物育種國家科技重大專項(xiàng)(2023ZD04072)和國家生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-35）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。論文鏈接外泌體與自噬的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間交互機(jī)制
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)實(shí)驗(yàn)室林強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)在海龍科物種形態(tài)演化與地理擴(kuò)散方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Phylogenetic diversifications linked to the morphological traits and global phylogeographic pattern of closed pouch fishes in Syngnathidae”為題，于2025年4月29日在線發(fā)表于The Innovation Geoscience。中國科學(xué)院南海海洋研究所博士后張穎懿、副研究員王信為共同第一作者，副研究員曲朦與研究員林強(qiáng)為共同通訊作者。海龍科魚類是一類具有獨(dú)特“雄性懷孕”特征的奇特物種，廣泛分布于全球熱帶和溫帶海域，因其奇特形態(tài)與繁殖方式而被視為研究全球擴(kuò)散與定殖模式的重要旗艦類群。研究解析了海龍科物種的形態(tài)性狀演化及其祖先狀態(tài)變化。具有閉合育兒袋的海馬屬（Hippocampus）和海龍屬（Syngnathus）類群普遍展現(xiàn)出更高的物種多樣性和更廣的地理分布。復(fù)雜的育兒袋不僅能實(shí)現(xiàn)胚胎的氧氣交換與滲透壓調(diào)節(jié)，還增強(qiáng)了胚胎的生存概率。這一策略可能為海馬屬與海龍屬適應(yīng)復(fù)雜的近岸環(huán)境提供了生理保障。此外，對海龍科物種的關(guān)鍵形態(tài)特征進(jìn)行分析顯示，海龍和管口魚的吻部最長并且多活躍于水體中上層，適合捕捉游速較快的獵物；海馬類群頭部前傾，角度更大，有助于提高伏擊精度；同時(shí)具纏繞尾，便于附著在海草或珊瑚上完成捕食。這些特征在不同類群中曾多次獨(dú)立演化，體現(xiàn)了形態(tài)適應(yīng)的多樣路徑與方向性。進(jìn)一步譜系地理比較顯示，海馬屬與海龍屬物種具有不同的起源中心，但均在中新世期間經(jīng)歷了廣泛的擴(kuò)散事件。海龍屬起源于西大西洋，隨后逐步擴(kuò)散至全球。擴(kuò)散路徑受到洋流、氣候變化與地理障礙的共同影響，不同物種的擴(kuò)散能力差異顯著。這一過程為理解海洋魚類的全球擴(kuò)散與譜系分化提供了典型案例。本研究整合基因組、性狀和分布數(shù)據(jù)，揭示了海龍科類群在不同生態(tài)與地理背景下的全球擴(kuò)散與性狀創(chuàng)新演化，為理解海洋魚類的適應(yīng)性進(jìn)化提供了新視角。本研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。論文信息：?Zhang Y., Wang X., Zhang Z., et al. (2025). Phylogenetic diversifications linked to the morphological traits and global phylogeographic pattern of closed pouch fishes in Syngnathidae. The Innovation Geoscience 3:100137.??文章鏈接：https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2025.100137圖1?圖文摘要圖2?海龍科物種祖先狀態(tài)估計(jì)和系統(tǒng)發(fā)育分析圖3?海馬屬與海龍屬的物種分布與豐富度地圖
