以沙门菌为模型的半封闭基因池细菌物种概念：3Cs标准的实验验证

Since the discovery of bacteria in 1673, scientists have attempted classifying them by a variety of methods, all with defining bacterial species based on objective criteria as the core and yet unsolved issue. The current criteria include DNA-DNA re-association rate of ≥70% and 16S rRNA sequence similarity of ≥97%. However, because both kinds of data are continuous, clear-cut genetic boundaries can hardly be determined among bacteria to define then as species. As a result, the current bacterial species tend to contain genetically as well as biologically quite diverse bacteria, making a name of bacteria meaningless. We have recently put forward a "semi-closed gene pool" concept to define phylogenetic units of bacteria as biological species with a novel set of standards, the triple C criteria (close relatedness among all members of the same unit, clear-cut genetic boundaries among different units of bacteria, and common biological features shared only by members of the same unit). In this application, we propose to experimentally validate these criteria. We use Salmonella as a model and work on a selected set of serovars, involving isolates of diverse sources. To begin with, we tentatively treat the individual Salmonella serovars as separate biological species based on the triple C criteria in an attempt to validate these criteria. We shall first validate the close relatedness among members within the selected Salmonella serovars by physical mapping and genomic sequencing, compare sequence identity of homologous genes among different Salmonella serovars to detect clear-cut genetic boundaries among them, and correlate the biological features of the bacteria (host range, infection types, etc.) with their genomic clustering. These triple C criteria are based on both genomic (evolutionary) and biological (pathogenic) properties and therefore are objective rather than subjective. Once applied to studies of bacterial systematics and taxonomy, these triple C criteria would help restructure the bacterial classification systems and facilitate clinical practice.

自1673年人类首次发现细菌以来，科学家们便尝试用各种方法对其进行分类，但其核心问题尚未解决，那就是如何界定细菌的物种。目前标准是DNA杂交率≥70%和16S rRNA序列相似度≥97%。但是这两项指标由于都是连续性的，因此无法划定出清晰的细菌物种间的界限。我们基于前期工作，提出了细菌物种的半封闭基因池概念以及与之对应的3Cs标准（同一物种成员之间亲缘关系密切、近缘但不同物种的细菌之间有清晰的遗传边界、同一物种成员具有共同的生物学特性）。本研究拟通过实验来验证3Cs标准。我们的实验模型是代表性沙门菌，主要方案包括基于基因组物理图和序列分析证实同一物种的所有成员亲缘关系密切，通过同源基因序列的歧化度找出物种间的遗传界限，以及利用细菌的生物学特性来进行表型区分。此3Cs标准基于细菌的自然关系，反映细菌基因组和生物学特性，因此是真正意义上的客观标准，其最直接的社会意义是指导临床诊断和治疗。

项目的背景：细菌分类学的核心问题，即如何定义细菌的天然物种，迄今尚未真正解决。目前人们从实用角度出发，用DNA杂交率>=70%和16S rRNA序列相似度>=97%来划定细菌物种的界限。然而，由于这两项指标都是连续性的，并没有清晰的界限用以界定细菌的物种，所以研究人员当前对物种的界定趋向于采用遗传学结合生物学特性分析来划分细菌物种，其中有很多主观因素。为探讨这个问题，我们基于前期的研究结果提出了界定生物种的半封闭基因池模型以及相应的3Cs标准（同一物种的所有成员亲缘关系密切、近缘但是不同物种之间有清晰的遗传边界、同一物种的所有成员具有共同的生物学特性，而这些特征性的生物学特性不见于任何其他物种）。.主要研究内容：本研究项目的目的就是要利用实验数据来验证我们所提出的3Cs标准。我们以沙门菌为模型，选择不同来源的血清型。按照3Cs标准，我们认为沙门菌的不同血清型可看作为不同的细菌物种。我们利用基因组物理图谱和基因组序列分析来验证同一物种的所有成员亲缘关系密切；然后利用同源基因序列的一致性来证明近缘但是不同物种之间有清晰的遗传界限；最后利用细菌的生物学特性（宿主范围，进化类型等等）来进行补充。此3Cs标准是可以反映细菌基因进化和生物特性的真正意义上的客观标准。基于此标准，我们可以重新审视细菌系统学中所定义的物种，而其最直接的社会意义是针对细菌感染疾病指导临床诊断和治疗。.重要结果：我们在本项目所支持的研究中发现，近缘但是生物学性状例如致病性不同的细菌之间有清晰的遗传界限，我们建议将其定义为不同物种。我们已经把有关数据、分析、解读、概念，发表于Scientific Reports、BMC系列、PLoS系列等国际著名期刊上。.关键数据及其科学意义：我们所获得最关键数据是，在我们基于3C标准所定义的细菌物种中，在物种内同源基因核苷酸序列完全一致基因的比例高于70%，而物种间尽管近缘但其同源基因核苷酸序列完全一致基因的比例皆低于40%.这大约30%的差异区间足够区分不同物种。我们正在把这一研究扩展到其他细菌。如果普适，这一研究将奠定细菌基于天然标准进行种系分类的分子基础。