中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室高贝乐研究员团队总结分析了放线菌鞭毛的退化性演化及其非鞭毛依赖的多样化运动方式，并探讨了这些现象与生态适应和细胞结构演化间的关联。相关成果以“Flagellar evolution and flagella-independent motility in Actinobacteria”为题，发表于微生物前沿领域研究的权威期刊Trends in Microbiology。中国科学院南海海洋研究所2020级博士生陈园园和助理研究员朱思琦为共同第一作者，研究员高贝乐为通讯作者。放线菌门（Actinobacteria）是细菌域中物种最丰富的细菌门之一，其成员广泛分布于地球各个角落。虽然传统观点认为大多数放线菌是不具备运动能力的，但近年来的研究揭示了一些关于该细菌门运动机制的新发现，其中包括鞭毛的退化性演化及非鞭毛依赖的运动方式。

放线菌门的鞭毛进化分析显示，尽管该细菌门中仅有13%的物种携带鞭毛基因，但这些基因可能源自共同祖先并通过垂直遗传得以保留。研究表明，生活在水生环境中的单细胞放线菌更倾向具有鞭毛，而生活在土壤的丝状放线菌或宿主相关环境中的病原菌或共生菌则往往缺乏鞭毛。这种鞭毛的大量独立丢失现象可能与放线菌向陆生丝状生长或宿主相关生活方式的转变有关。放线菌鞭毛的退化性进化在具鞭毛物种的马达组成上也有所体现。早期具有鞭毛的放线菌物种中存在完整的鞭毛杆成分，而在进化晚期则出现部分丢失，主要缺失鞭毛杆的远端蛋白FlgFG。能形成游动孢子的放线菌物种例如Actinoplanes spp.具有极高的运动速度但没有FlgFG，表明退化后的鞭毛依然具备运动功能。

当鞭毛完全退化时，一些物种表现出非鞭毛依赖的运动能力。例如，链霉菌属（Streptomyces spp.）可以通过“微生物搭便车”机制依附于其他细菌的鞭毛以实现孢子传播。此外，链霉菌还展现了“探索性生长”的现象，其运动速度远超菌丝尖端的生长速度，并受到真菌或挥发性有机化合物的触发。部分分枝杆菌（Mycobacterium spp.）如结核分枝杆菌则被观察到具有滑行运动能力，但其分子机制仍需进一步研究。

鞭毛马达跨越整个细菌细胞膜，因此膜结构的变化不可避免地会影响马达的组成、结构和组装。未来高分辨率冷冻电镜技术的发展有望揭示放线菌门中鞭毛退化物种的细胞膜结构变化。这些研究将帮助揭示鞭毛及其他细胞表面附属物的存在或缺失、结构多样性和功能分化的决定因素。目前，放线菌门的大部分属尚未深入研究，探索非传统运动方式和潜在结构将为其多样性提供新的线索。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目、南方海洋科学与工程引进人才团队重点专项广东省实验室（广州），以及中国科学院南海生态环境工程创新研究院的资助。

相关论文信息：DOI: 10.1016/j.tim.2024.07.010

图1 放线菌门多样性

图2 放线菌门的鞭毛退化性演化