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細菌也有個體差異嗎?

我們都是人(Homo sapiens),同屬同種,但是每個人都不大一樣。細菌呢?

當然,讀者會說,因為我們是進行有性生殖的多細胞生物,個體之間當然會有差異;而細菌以二分裂(fission)法繁殖,照理說,不管細菌二分裂幾次,所有的細菌應該都一模一樣吧!

但是,真的是這樣嗎?

最近,約克大學(University of York)的生物系的研究結果,提供了一個有趣的思考面向(1)。

研究團隊由種在路邊的野豌豆(Vicia sativa)與白三葉草(Trifolium repens)的根部各採取了36個根瘤(root nodule),把每個根瘤中的菌分別培養後,鑑定它們的種類。

白三葉草。圖片來源:wiki

鑑定分為16S 核糖核酸(16S rRNA)、核心基因(core genes)與輔助基因(accessory genes)定序。一般來說,16S核糖核酸是必需的基因,只要有一點變化,就可能會讓生物死翹翹;所以它的變異性很低;核心基因也是必需的基因,但可以容許的變異度會比16S核糖核酸要大一點,所以變異也會多一點點。至於輔助基因,因為它們的存在無關乎生物的生存,容許的變異性最大。

結果研究團隊發現:由16S核糖核酸定序發現,它們都是豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum);但是當分析核心基因與輔助基因序列時發現,這72隻豌豆根瘤菌,彼此之間都不大一樣!

多不一樣呢?研究團隊分析後發現,這些豌豆根瘤菌們可以被分成由A到E的五群。

圖片來源:Open Biology
當然,這些豌豆根瘤菌們的輔助基因差異更大。前面已經說過輔助基因指得是生物生長發育的非必需基因,簡單來說,沒有也死不了,所以可以容許較大的變異;在根瘤菌裡面,最著名的輔助基因就是與根瘤形成(nod,nodulation of the host plant)以及固氮(niffix)相關的基因了。這些基因決定了根瘤菌能不能與豆科植物共生、能與哪些豆科植物共生。

從上面的圖可以看到,同樣屬於B群的豌豆根瘤菌裡面,有些可以與野豌豆共生(紅色),有些可以與白三葉草共生(藍色);在C群與E群裡面也看到同樣的情形。

由於與根瘤形成以及固氮相關的基因位於質體上(pRL10質體,2),這個結果顯示了根瘤菌也會互相交換質體來獲取不同的能力。根瘤菌總共有六個質體,上面攜帶的大部分都是輔助基因。

一樣都是豌豆根瘤菌,跟植物展開共生生活後,卻開始產生了個體差異;這個狀況,就像學生住進宿舍一樣;雖然住進來相同的房間,但每個人搬進去以後,帶的東西都不大一樣。有的人帶電動牙刷、有的人帶一般的牙刷,有的人帶吹風機、有的人帶整髮器。

不過,筆者在想,由於研究報告中的豌豆根瘤菌是由野豌豆與白三葉草召喚來的,有沒有可能它們原本就有差異呢?就像一家好吃的餐廳,同一時間會有很多人去吃,而這些人之間也都存在著個體差異。或許應該由這72種豌豆根瘤菌中選出幾隻,在實驗室的環境下讓它們跟豆科植物共生一段時間,再來看看是否同樣會有變異發生。當然,同樣是豌豆根瘤菌,竟然有這麼多不同的類型(genospecies),其實也還是蠻有趣的。

參考文獻:

1.Nitin Kumar, Ganesh Lad, Elisa Giuntini, Maria E. Kaye, Piyachat Udomwong, N. Jannah Shamsani, J. Peter W. Young, Xavier Bailly. 2015. Bacterial genospecies that are not ecologically coherent: population genomics of Rhizobium leguminosarum. Open Biology. DOI: 10.1098/rsob.140133.

2.J Peter W Young et. al. 2006. The genome of Rhizobium leguminosarum has recognizable core and accessory components. Genome Biology. 7:R34 doi:10.1186/gb-2006-7-4-r34

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