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细菌物种概念的300年困扰:刘树林获得遗传界限的新佐证

时间:2014-12-26 11:05:224  作者:包红霞  点击:

日前,刘树林教授为他在国际上首次提出的细菌天然物种概念又提供了新的佐证,文章发表在《PLoS ONE》。在这篇文章中,他从一个新的角度探讨了细菌天然物种问题,并且通过短的DNA保守序列的定位进一步揭示了遗传界限的存在及其意义。

人们所熟悉的动物和植物都是以物种为基本的种系群而存在于自然界的。例如,人和黑猩猩这两个种系群在遗传上99%相似,但是这1%的遗传差异就形成了清晰的物种间遗传界限,而其导致的生物学表型差异是巨大的。在人和黑猩猩之间没有遗传上过渡状态的生物类型。那么,肉眼不可见的微小生物体例如细菌是否也是以物种为基本的种系群而存在于自然界的呢?这个问题国际学术界一直在讨论,有关焦点争论还在进行之中。

人类发现细菌已经有300多年的历史了,但是细菌的物种概念一直不明确。在20世纪以前,人们对细菌的研究主要针对能引起感染的病原体,例如鼠疫、霍乱、结核病、伤寒病的病原体。这些病原体之间亲缘关系很远,彼此之间遗传上不连续,所以各自被当做物种对待顺理成章。然而上世纪以来,新发现的细菌种类急剧增加,其中有些细菌亲缘关系很近,而致病性等生物学性状却相去甚远。那么,这些细菌各为独立物种还是属于同一个物种的不同致病型?问题变得极为复杂,因为界定细菌物种的客观标准还没有建立起来。

刘树林教授从上世纪80年代起,就在思考这个问题。他使用的模型是沙门菌,从比较基因组方法学入手进行探讨。他开创了这个领域的研究,并一直保持着国际领先的地位。从1992年开始,他不断在Journal of Bacteriology、美国科学院院刊PNAS、以及进化学领域的著名期刊Molecular Biology and Evolution等杂志发表他的最新发现和见解。他的学术思想已经发表在100余篇原始科研论文、综述文章、学术专著、系列丛书、百科全书等有重要国际影响力的出版物中。在这期间,他的研究获得来自加拿大联邦政府、加拿大卡尔加里大学、中国国家自然科学基金、北京大学、哈尔滨医科大学等几十项科研经费的支持。他于2008年回到母校哈尔滨医科大学工作,校长杨宝峰院士提供的工作条件和全力支持使他的学术团队发展突飞猛进,几十年的科研梦想正在一步步实现。

他的梦想,是用实验证据说明,细菌在自然界中是以各自独立的种系群还是以弥漫的四维网状遗传群体结构的形式存在。他根据40多年的工作经验,确信前者是对的,然而后者曾经一度是国际上压倒性的意见,且在当下也是一个主流说法。当然,两种意见都没有足够的证据支持。

2012年,他在Antonie van Leeuwenhoek杂志上发表了一篇观点(perspective),首次提出了界定细菌物种的“3C”标准。这篇观点文章凝聚了他几十年的心血和为此做出的思考。与此同时,他还在北京、蒙特利尔、爱丁堡、卡尔加里等国际会议和访问中,清晰地表述了他关于细菌天然物种的学术观点。当时,这篇观点文章还真的只是“观点”而已,因为他还没有第一手证据。观点发表后,他很快就陆续获得了大量关键证据,表明:1、细菌的确以独立的种系群存在,种群之间遗传界限十分清晰,数据不仅重复性高达100%,而且是数字化的;2、这种种系群应该就是天然物种;3、种系群之间没有看到遗传上过渡的生物体。他认为,过渡的生物体在进化中应该是有的,只是随时出现、随时被自然选择压力淘汰掉而已。他在《BMC Genomics》等一系列学术期刊上连续发表文章出示这些证据,并清晰地阐明了他的理念。

刘树林教授目前正在带领学生们继续探讨细菌的天然物种和物种间遗传界限的形成机制和进化过程。他乐观地预测,细菌系统学最终将会建立在天然物种的基础上--这是他为之奋斗了几十年的一个目标,也是他希望尽早实现的一个愿景。