位于美國威斯康星州的門多塔湖具有顯著的季節性變化——冬季冰封，夏季被藻類覆蓋。

在近期發表在《自然·微生物學》研究中，一個研究團隊分析了門多塔湖在20多年間收集的471個水樣，并重建了每個樣本的宏基因組——涵蓋細菌及其他生物體DNA片段的完整基因序列集合。

這些數據檔案構是迄今為止從自然生態系統中獲取的最長宏基因組時間序列，為探索微生物生態和進化的動態提供了全新的視角。

復雜但有跡可循

在新的研究中，研究團隊利用超級計算機重建了2855個具有代表性的物種基因組，共完成了超過3萬個基因組的拼裝。研究人員將這一過程形象地比作拼接一本被拆散的書：每個基因組像一本書，DNA片段如同被打亂的句子。科學家需要弄清楚每個句子屬于哪本書，并將它們按正確順序拼接。

他們的研究結果表明，門多塔湖中的細菌種類和菌株遵循周期性的季節變化模式。約80%的物種展現出季節性循環模式，而約20%的物種則經歷了年代際變化。這些結果出乎研究團隊的意料，他們原本以為只能發現少數特別顯著的變化，但事實證明，基因組變化在細菌群落中是如此普遍且頻繁。

門多塔湖中的大多數細菌物種會隨著季節變化迅速進化，并在過去20年中每年恢復到相似的狀態。圖中的藍點表示Nanopelagicus屬內各物種在基因上隨時間發生的變化程度，黑線則為6個月移動平均值。（圖/University of Texas at Austin）

研究團隊還發現，盡管基因變異會隨著世代交替而波動，但許多物種幾乎完全恢復到其在1000代進化壓力前的基因狀態。這種周而復始的季節性循環，仿佛讓進化成為一部不斷回到起點的電影，反復上演，似乎毫無進展，卻暗藏深刻的適應機制。

此外，這項研究還揭示了一些更持久的基因變化。2012年，門多塔湖經歷了極端氣候條件：冰蓋提前融化，夏季異常炎熱干燥，流入湖泊的河流水量減少，而作為細菌有機氮重要來源的藻類數量也顯著減少。研究團隊發現，這一年，湖泊中的細菌群落中許多與氮代謝相關的基因發生了顯著變化，這可能正是由藻類的稀缺引發的。研究人員指出，如果突變發生在具有獨特生態功能的菌株上，可能對整個生態系統的功能產生深遠影響。

理解微生物生態的新起點

總的來說，在長達20年的研究期間，門多塔湖中最豐富的物種中有約20%在菌株水平上經歷了顯著的長期變化。這一發現得益于高分辨率的數據集，使科學家能夠突破“看不見的現在”的限制，深入理解微生物群落的動態變化。

與此同時，在另一項相關研究中，研究人員聚焦于門多塔湖的病毒群落。他們分析了130萬個病毒基因組，揭示了病毒種群的季節性動態。他們發現，病毒與宿主的關系，以及病毒之間的競爭，呈現出高度緊密的動態。同時，研究還鑒定了大量輔助代謝基因，這些基因通過調節宿主代謝在生態系統功能中扮演了重要角色。

這兩項研究都通過宏基因組學揭示了淡水微生物群中細菌和病毒的動態變化，凸顯了生態系統的生態和環境驅動因素。研究人員表示，這些發現不僅改變了我們對微生物群落如何隨時間變化的認知，也為探索微生物如何應對氣候變化提供了寶貴的基礎。他們強調，這僅僅是一個開始，未來的研究將進一步揭示微生物群落的復雜機制，推動生態與進化領域的持續發展。

#參考來源：

https://news.utexas.edu/2025/01/03/some-bacteria-evolve-like-clockwork-with-the-seasons/

https://www.nature.com/articles/s41564-024-01898-1

https://www.nature.com/articles/s41564-024-01888-3

#圖片來源：

封面圖&首圖：Robin Rohwer/University of Texas at Austin