港中大学者发现驱动超微型海洋细菌演化的关键作用力 助重新认识其固碳效率
根据生物进化理论，超微型海洋细菌「原绿球藻」（Prochlorococcus）被假定为具有庞大种群规模的细菌，因此自然选择被认为是推动其演化最为有效的驱动力。香港中文大学（中大）生命科学学院罗海伟教授领导的研究推翻此说，团队发现「遗传漂变」（genetic drift）是驱动原绿球藻演化的关键作用力，而「自然选择」的作用力没有预期中有效。研究结果更意味由原绿球藻驱动的生物地球化学循环效率可能远低于预期，令全球气候调节受影响。研究成果已刊登于国际学术期刊《自然—生态与演化》（Nature Ecology & Evolution）。
原绿球藻是一种固碳光合细菌，广泛分布于热带及亚热带海域，地球上近15%氧气由它产生。微生物佔海洋生物量90%，大部分海洋微生物细胞仅由少数的优势群体构成，原绿球藻是其一。它们是地球上最丰富的光合生物，利用阳光固定二氧化碳，继而产生有机物和氧气。
原绿球藻的系统发育树及种群划分
「遗传漂变」是一种类似随机抽样方式的演化作用力，可以令有利的基因特征丢失，有害的基因特征保留。「遗传漂变」可发生于任何物种包括人类和原绿球藻，但影响程度不同，例如科学界认为它对人类的影响非常大，对原绿球藻的影响小至可被忽略。原因在于物种的有效种群规模（effective population size）越大，「遗传漂变」影响力约小，相对地「自然选择」的影响力越大。科学家过往认为，原绿球藻的有效种群规模大约为10亿至10万亿个，比任何已知物种规模都要大。因此，它们的演化过程被认为主要受「自然选择」影响，「遗传漂变」的影响极小。
使用突变累计实验测量原绿球藻的整体自发突变速率
为验证这一假设，罗教授的团队及其合作实验室进行了三年的大规模突变累积实验，他们测量了原绿球藻代表菌株的自发突变速率，并建立一套新计算方法，将400多个未培养原绿球藻的不完整基因组进行种群划分。团队基于这些数据估算出原绿球藻的有效种群规模仅为一千万，远低于科学界以往的估算。
罗教授解释：「按研究结果，原绿球藻的有效种群规模实际上是很小，『遗传漂变』才是驱动演化的关键作用力。因此，科学家不应再假设原绿球藻的基因组能集合优化的代谢特征是出于『自然选择』，而应视之为一个携带大量有害突变的基因组合，令其编码的『酶』嵌入大量有害突变。这项研究对理解原绿球藻驱动的生物地球化学循环的工作效率，特别是在固碳和营养元素循环方面具重要意义。例如﹕假若负责固定二氧化碳的『酶』携带大量有害突变，便会降低固碳效率。由于原绿球藻在全球固碳生物群落占据主导地位，一旦固碳效率受损，气候调节和地球元素循环的平衡可能会受影响。」
罗海伟教授
这次研究团队的成员还包括罗教授指导的博士生王晓君、厦门大学张瑶教授及其博士生陈卓宇，以及香港科技大学曾庆璐教授等。研究获南方海洋科学与工程广东实验室（广州）香港分部，及香港研究资助局「卓越学科领域计划」等资助开展。论文全文可浏览: https://rdcu.be/cDLSh。
博士生王晓君
有关港中大微生物进化及生态学实验室
港中大微生物进化及生态学实验室由罗海伟教授于2015年成立，主要从事与碳、氮等元素生物地球化学循环、珊瑚保育及农作物产量等有重要关系的细菌进化遗传学及种群基因组学研究。该实验室已取得多项突破性成果，包括开发新的方法计算细菌的古老程度及演化时间、发现细菌演化与宿主演化和地球演化历程的关系、提出细菌物种形成的新机制，以及重新审视「自然选择」在细菌演化过程中的作用等。
罗海伟教授目前在深圳研究院承担的项目包括：
1.国家自然科学基金-面上项目-玫瑰杆菌中参与厌氧代谢的基因在古海洋中的起源和在现代海洋中的维持机制-41776129
2.国家自然科学基金-重大研究计划-玫瑰杆菌参与海岸潮间带沉积物无机氮、硫循环的研究- 92051113
3.中国人民共和国科学技术部-国家重点研发计划-深海关键技术与装备重点专项-项目名称：海斗深渊环境特征与生命演化过程 课题名称：超嗜压微生物的深时与浅时演化过程-2018YFC0309800
4.深圳市项目-基础研究（学科布局）-基20180279 深圳海域造礁石珊瑚共生细菌基因组学研究-JCYJ20180508161811899
原文转载
香港中文大学传讯及公共关系处 二零二一年十二月二十四日《中大學者發現驅動超微型海洋細菌演化的關鍵作用力 助重新認識其固碳效率》