水平基因轉移作為微生物進化與生態適應的核心驅動力，深刻影響著基因組結構、功能多樣性及群落動態，深入解析這一過程的調控機制，將為合成生物學和微生物組工程提供突破性的研究工具與理論框架。水平基因轉移作為微生物進化與生態適應的核心驅動力，深刻影響著基因組結構、功能多樣性及群落動態，深入解析這一過程的調控機制，將為合成生物學和微生物組工程提供突破性的研究工具與理論框架。然而，該領域仍面臨重大挑戰：微生物間通過質粒、轉座子和噬菌體等載體形成的基因流動網絡不僅結構復雜，更在生態演替過程中呈現動態變化特征。這種復雜性使得精確調控基因流動成為當前研究的難點，其根本原因在于我們對這一復雜過程的基本定量規律缺乏理性認知。針對這一科學瓶頸，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所王騰研究員發表系列研究，構建了跨尺度研究體系：通過整合定量實驗、計算模型和組學大數據，從個體細胞、單一群落、集合群落三個復雜度層次，時空兩個維度，系統探索了水平基因轉移的定量規律。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和方法學支撐。5月1日，王騰研究員課題組在Molecular Systems Biology上發表了題為"Spatial entropy drives the maintenance?and dissemination of transferable plasmids"的研究論文。該工作首次將物理學中“熵”的概念引入微生物生態學，揭示了空間結構驅動基因水平轉移的普適機制。質粒作為可轉移遺傳元件，是抗生素耐藥基因（ARGs）傳播的主要載體，其擴散機制的研究對遏制耐藥性爆發至關重要。經典理論基于均勻混合環境假設，提出質粒維持需高轉移率閾值，但自然微生物群落普遍存在空間異質性（如生物膜、微塑料聚集），現有模型難以解釋復雜環境中質粒的穩定性。傳統理論預測與實際觀測的差距（如自然質粒轉移率常低于理論閾值）表明，空間結構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性的理論框架。本研究通過構建集合群落動力學模型，結合實驗驗證與基因組大數據分析，揭示空間熵（量化空間異質性的指標）對質粒傳播的核心作用。理論模擬表明，空間熵越低（即空間異質性越高），質粒的擴散速度和全局維持能力越強。低熵環境通過增加局部細胞密度波動，提升了質粒的有效轉移率，從而突破了經典理論預測的質粒維持閾值，使得低轉移效率的質粒也能長期存在。在大腸桿菌的合成微生物群落中，人為調控空間熵（通過調整細胞密度分布）證實了低熵環境顯著提高質粒傳遞效率。進一步分析34,688個原核基因組大數據發現，攜帶生物膜形成相關基因（BFGs，低熵環境標志）的原核生物基因組中，質粒、抗生素抗性基因（ARGs）、轉座酶和毒素/抗毒素系統基因更豐富，驗證了低熵環境促進可移動遺傳元件（MGEs）的進化優勢。?本研究首次將物理學“熵”概念引入微生物生態學，揭示了空間結構驅動基因水平轉移的普適機制，挑戰了均勻環境假設下的經典理論，為耐藥性傳播預測提供了新思路，推動生態學與進化理論的整合。實際應用中，提出通過調控環境熵（如破壞生物膜、減少微塑料污染）抑制ARGs擴散的策略，為公共衛生管理及微生物組工程提供了關鍵理論工具，為抗生素抗性管理提供新靶點（如干預生物膜形成）。此外，跨學科整合模型構建-實驗-大數據的方法，為解析復雜生態系統中的進化動力學樹立了范例。3月3日，王騰課題組在eLife上發表了題為“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學模型，系統揭示了復雜微生物生態系統中多穩態的涌現機制。? 微生物群落在相同環境中常呈現不同的穩定狀態，但其多穩態的起源機制尚不明確。以往研究聚焦于物種互作和資源競爭，而水平基因轉移（HGT）作為微生物進化的重要驅動力，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，可能重塑群落穩定性，然而HGT如何影響多穩態的形成仍缺乏系統性研究。理解這一機制對揭示微生物群落動態及調控具有重要意義。本研究構建數學模型，結合數值模擬分析HGT對微生物群落穩定性的影響。結果顯示，HGT通過促進物種間基因交流，顯著增加兩物種及多物種群落的穩態數量，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（如增強生長或改變競爭強度）決定HGT對多穩態的促進或抑制作用，正向表型效應擴大穩態區域，而負向效應削弱；在抗生素選擇壓力下，HGT使耐藥基因擴散，創造新穩態；集合群落模擬表明局部多穩態通過空間異質性提升區域多樣性。研究還探討了稀釋率、質粒互作等參數的影響，驗證了模型的穩健性。本研究首次系統揭示了HGT驅動微生物群落多穩態的機制，填補了生態與進化理論的空白。結果為預測群落狀態轉變（如腸道菌群失調）、設計微生物工程策略（如通過抑制HGT穩定有益群落）提供了理論依據。同時，闡明了局部多穩態對區域多樣性的貢獻，為生態保護和生物修復提供了新思路。這一框架將促進跨尺度微生物動態研究，助力精準調控復雜微生物系統。此前不久，王騰團隊在Communications Biology上發表了題為“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/質粒平衡的多層次選擇機制，為質粒的演化動力提出了全新的理論框架。質粒作為原核生物中廣泛存在的可移動遺傳元件，在微生物進化、抗生素抗性傳播及病原毒力擴散中扮演核心角色。依據傳統達爾文進化理論，質粒的存續依賴于宿主表型選擇（如宿主生長負擔的降低），但近年研究發現，非表型選擇（如質粒自身復制效率、水平轉移能力）同樣顯著影響其穩定性。例如，人類腸道中廣泛存在的pBI143質粒雖無明確功能基因且面臨強選擇壓力，挑戰了傳統表型選擇范式。然而，現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/質粒平衡缺乏系統性定量模型，尤其缺乏對代謝資源分配、宿主基因組規模等內在因素的動態解析。這一理論空白限制了對質粒多樣性的進化解釋，也阻礙了臨床耐藥基因傳播的精準干預。本研究構建了一個代謝通量模型，模擬染色體與質粒基因在細胞內資源競爭中的動態平衡。通過粗粒化隨機網絡和通量平衡分析，模型量化了表型選擇（宿主生長負擔）與非表型選擇（質粒自我維持能力）的強度，揭示二者隨質粒/染色體大小變化的權衡關系。模型預測了質粒進化中的“最優平衡點”，并通過分析NCBI數據庫中15,713個含質粒的原核基因組數據驗證：染色體增大推動質粒規模上限提升，而小質粒因非表型選擇壓力易被淘汰，與理論預測的進化景觀一致。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拮抗關系定量化，為質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化邊界，即染色體規模通過代謝網絡復雜度調控質粒存續閾值，這為理解古菌-細菌質粒分布差異提供了新視角。實踐層面，研究對臨床控制耐藥基因傳播（如優化質粒干預策略）和合成生物學（如設計穩定工程質粒）具有應用價值。此外，研究強調代謝網絡復雜度對質粒動態的影響，為評估病原菌風險提供了新思路。中國科學院深圳先進技術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重點研發計劃，國家自然科學基金面上項目，青年項目，深圳合成生物學創新研究院科研計劃等多個項目的支持。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 水平基因轉移促進群落多穩態的涌現文章上線截圖文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s42003-024-07167-5圖3 染色體與質粒基因在細胞內資源競爭與動態平衡理論
隨著全球氮沉降持續加劇，其對氮限制區域生態系統的影響已有廣泛研究和報道；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策略仍不清楚。中國科學院華南植物園鼎湖山站研究團隊依托廣東鼎湖山長期氮添加實驗平臺（0、50、100、150 kg N ha?1 yr?1），系統分析了18年氮添加后氮飽和季風常綠闊葉中喬木、灌木、草本共8種植物的15項葉片和22項細根功能性狀響應。研究發現，長期氮添加對喬木、灌木和草本葉片（圖1）和細根功能性狀（圖2）均無顯著影響。葉片經濟譜比根經濟譜更能有效區分植物生活型；然而，長期氮添加沒有改變植物的養分獲取策略（圖3）。長期氮添加下植物葉片和細根性狀的表型可塑性均保持穩定，然而高氮添加導致草本葉片性狀的整合性上升和細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定，為基于植物功能性狀的模型預測長期氮沉降對生態系統功能的影響提供了重要的數據支撐，同時也完善了氮限制生態系統中“性狀-環境”耦合關聯的傳統認知。相關研究以“Plant morphological and physiological traits are stable in a nitrogen-saturated tropical forest after 18-year nitrogen additions”為題于近期發表在國際學術期刊Plant and Soil（《植物和土壤》）。中國科學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、灌木和草本植物細根功能性狀的影響圖3.氮添加處理下15個葉片（a）和22個細根性狀（c）的主成分分析。（b）和（d）分別是葉片和細根功能性狀的貢獻值
優質豬肉產品已成為養豬業高質量發展的重要追求目標。豬肉肌內脂肪含量和肌纖維類型組成是影響肌肉性狀的關鍵因素，肌肉和脂肪組織作為機體重要的代謝與分泌器官存在互作，外泌體作為介導細胞互作的媒介也因此被廣泛研究。優質豬肉產品已成為養豬業高質量發展的重要追求目標。豬肉肌內脂肪含量和肌纖維類型組成是影響肌肉性狀的關鍵因素，肌肉和脂肪組織作為機體重要的代謝與分泌器官存在互作，外泌體作為介導細胞互作的媒介也因此被廣泛研究。近期，由中國工程院院士、中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員印遇龍領銜的科研團隊受邀在國際期刊The Innovation Life發表題為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節自噬”這一主線思路，立足于兩者的穩態作用，從細胞內和細胞間兩個維度，全面系統地總結了外泌體與自噬的交互作用。在細胞內，兩者的聯系主要取決于多囊泡體和自噬體的命運走向以及自噬相關蛋白的囊泡轉運功能；在細胞間，供體細胞分泌的外泌體被靶細胞內化后，通過其內容物miRNA和蛋白激活或抑制自噬相關信號，并同時關注在細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系及其分泌后如何去調節細胞器自噬，為理解肌肉與脂肪互作及營養素對胞內細胞器的命運決定提供嶄新思路。該工作得到了國家自然科學基金委創新發展聯合基金重點項目（U22A20516）、生物育種國家科技重大專項(2023ZD04072)和國家生豬產業技術體系（CARS-35）等項目的聯合資助。論文鏈接外泌體與自噬的細胞內和細胞間交互機制
中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態實驗室林強研究員團隊在海龍科物種形態演化與地理擴散方面取得重要進展。相關研究成果以“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日在線發表于The Innovation Geoscience。中國科學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為共同通訊作者。海龍科魚類是一類具有獨特“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，因其奇特形態與繁殖方式而被視為研究全球擴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性狀演化及其祖先狀態變化。具有閉合育兒袋的海馬屬（Hippocampus）和海龍屬（Syngnathus）類群普遍展現出更高的物種多樣性和更廣的地理分布。復雜的育兒袋不僅能實現胚胎的氧氣交換與滲透壓調節，還增強了胚胎的生存概率。這一策略可能為海馬屬與海龍屬適應復雜的近岸環境提供了生理保障。此外，對海龍科物種的關鍵形態特征進行分析顯示，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立演化，體現了形態適應的多樣路徑與方向性。進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歷了廣泛的擴散事件。海龍屬起源于西大西洋，隨后逐步擴散至全球。擴散路徑受到洋流、氣候變化與地理障礙的共同影響，不同物種的擴散能力差異顯著。這一過程為理解海洋魚類的全球擴散與譜系分化提供了典型案例。本研究整合基因組、性狀和分布數據，揭示了海龍科類群在不同生態與地理背景下的全球擴散與性狀創新演化，為理解海洋魚類的適應性進化提供了新視角。本研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目支持。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估計和系統發育分析圖3?海馬屬與海龍屬的物種分布與豐富度地圖
