生命科学学院陈飘飘课题组在Nature Communications发文阐明微生物适应性演化机制

生物如何在变化的环境中生存？一个关键答案是——表型可塑性：同一个基因组，可以在不同环境中“表现出不同样子”。在这一过程中，基因表达可塑性扮演着核心角色。它让微生物能够快速调整自身状态，应对压力、维持生存并实现适应。然而，一个长期困扰演化生物学的问题是：这种可塑性，究竟是自然选择主动维持的适应性机制，还是仅仅源于分子层面的约束、属于中性副产物？

2026年3月，浙江大学生命科学学院陈飘飘课题组在NatureCommunications期刊发表题为《Contrastingselectivesignaturesofgeneexpressionplasticityinresponsetoantifungalclotrimazoleandcommonenvironmentalstressesinyeast》的研究文章。该研究以酵母为模型，对比其应对高盐、高温常见胁迫和克霉唑新型抗真菌胁迫的基因表达可塑性，发现后者的可塑性由自然选择主动维持、具有显著适应性，而前者的可塑性呈中性进化特征，且酵母依托通用胁迫响应通路实现对新型胁迫的适应性响应，该研究为理解微生物环境适应的演化机制提供了关键实验证据。

研究团队将酵母暴露于两种祖先长期经历的常见环境压力（氯化钠诱导的高盐压力、37℃诱导的高温压力）和一种新型环境压力（人工合成的抗真菌药物克霉唑胁迫）中，展开了系统的基因表达可塑性研究。研究中，团队利用突变积累（MA）株系，将自然选择的作用与遗传漂变分离开来，因为在累积突变的过程中没有选择压力。研究对比分析了22个自然酵母菌株、15个突变积累株系及其祖先菌株在三种和胁迫条件下的基因表达响应（即基因表达可塑性），以此探究自然选择在基因表达可塑性演化中的作用（图一）。

研究发现，在应对克霉唑这一新型抗真菌压力时，基因表达可塑性表现出明显的适应性特征，受到自然选择的主动维持：所有15个突变积累株系的整体基因表达可塑性均显著降低（图二中第一列），显著塑性基因的数量也大幅减少，平均仅为祖先菌株的一半；同时，突变积累株系中基因表达可塑性的方向与祖先菌株相比出现大量反转（图三b），原本的胁迫响应方向被打乱，且祖先菌株和自然菌株中特有的胁迫响应通路（如氧化应激响应、化学刺激响应等）在突变积累株系中大量丢失。进一步的适应性验证发现，突变积累株系中氧化应激响应通路的丢失，直接导致其在克霉唑和氧化胁迫环境中的竞争适合度显著下降，印证了这些通路在应对新型压力时的功能优势。

而在高盐和高温胁迫这些常见环境压力下，基因表达可塑性则呈现出中性进化特征：突变积累株系的可塑性水平相对于祖先菌株表现出随机变异（图二中第二、三列），无一致的降低或升高趋势，显著塑性基因的数量也随机增减，可塑性的方向与自然菌株相比无显著差异（图三c和d），未表现出被自然选择主动维持的特征。

对于这一差异现象，研究团队给出了可能的演化解释：常见的高盐和高温胁迫在酵母的演化历史中已存在数百万年，其适应性的基因表达可塑性可能已通过遗传同化（geneticassimilation）过程被固定在基因组中，不再需要通过可塑性来响应环境变化，因此呈现中性进化；而克霉唑作为上世纪60年代才被研发的人工合成药物，是酵母从未接触过的新型压力，酵母无法通过特化的响应通路应对，只能激活通用的胁迫响应通路，这类基因表达可塑性对酵母的生存至关重要，因此受到自然选择的强烈维持，在失去选择压力的突变积累株系系中则会快速衰退。

浙江大学基础医学院博士生钱旸为论文的第一作者，浙江大学基础医学院研究员刘昊轩和浙江大学生命科学学院研究员陈飘飘为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。