高频重组细菌代表性物种——副溶血弧菌的种群结构与进化动力学研究

High-frequency recombination is a important genetic character of free-living bacteria. Because of lacking genome resources, as well as appropriated theories and tools, few researches in our country and only limited number of researches globally were performed on the evolution of high-frequency recombination bacterial species. Vibrio parahaemolyticus is one of the most common diarrhea-causing pathogen. According to previous reports, it is a appropriate model for the evolutionary study of high-frequency recombination in bacteria. In this project, we’ll collect more than 400 Vibrio parahaemolyticus strains, and decipher their whole genome sequences through the next-generation sequencing technology. After assembly, annotation, identification of genome variations, and estimation of population genetics parameters, we’ll create the non-redundancy strain set based on genetic distance amongst genome samples, and then reconstruct the population structure by using fineSTRUCTURE software etc. The composition of oceanic and hybridizing gene pools and relationship between them will be determined. According to results of statistical test for the linkage disequilibrium among pairwise variation loci, we’ll identify the epistasis loci and the corresponding ecotypes in the free admixture population of the samples, and infer the phenotypes and surviving niches of the ecotypes. Our project will adjusted the population genetic theory and tools of eukaryotes, and transfer them to the evolutionary research of bacteria. The results will give insight for the evolution pattern of Vibrio parahaemolyticus, as well as provide new paradigm for evolutionary researches of other high-frequency recombination bacteria.

高频重组是以环境生存为主的多种细菌的重要遗传特征。过去由于缺乏基因组资源以及相应理论和工具，国际上对此类细菌的进化规律研究较少；国内也几乎未见相关研究。副溶血弧菌是最常见的腹泻病原菌之一，前期工作表明该物种是研究高频重组细菌进化的理想模型。本研究拟收集400株以上副溶血弧菌，使用第二代高通量测序技术进行全基因组序列测定，并进行组装、注释、变异位点鉴定和群体遗传学参数估计。根据样本间遗传距离构建非冗余数据集，并使用fineSTRUCTURE等软件进行种群结构解析，确定该物种的海洋性和过渡性基因库组成及相互关系。对样本中自由混合种群进行配对位点的连锁失衡分析，寻找上位相互作用位点及对应生态型，并根据位点功能推测生态型表型和所在生境。本项目将真核生物群体遗传学的理论和工具进行调整并移植到细菌进化研究中，研究将进一步揭示副溶血弧菌的进化规律，也为其他高频重组细菌物种的进化研究提供全新范例。

高频重组是以环境生存为主的多种细菌的重要遗传特征，过去由于缺乏基因组资源以及相应理论和工具，国际上对此类细菌的进化规律研究较少；国内也几乎未见相关研究。副溶血弧菌是最常见的腹泻病原菌之一。前期工作表明该物种是研究高频重组细菌进化的理想模型。本研究对副溶血弧菌代表株进行收集测序，结合公共数据库发表的序列，整理形成1103株副溶血弧菌代表株数据集，对上述基因组进行变异位点鉴定和群体遗传学分析，共解决了以下三个方面的问题：1）重建全球副溶血弧菌的种群结构与传播规律。研究发现副溶血弧菌可分为4个地域性种群，VppUS1，VppUS2，VppX和VppAsia。前两个种群主要分布于北美洲和欧洲北部，后两个种群广泛分布于世界各地，其中亚洲海域以VppAsia群为主；其种群间曾在近期发生跨洋迁徙和融合；2）鉴定副溶血弧菌全基因组共适应图谱。研究中共发现90个共适应网络，包括110个核心基因（1,936个SNPs）和1,593个附属基因，对共适应网络功能进行了注释，并推演了其形成机制；3）计算副溶血弧菌重组有效种群大小特征。我们提出重组有效种群大小Ner的概念和计算方法，并对21种细菌进行了分析，结果发现仅有副溶血弧菌和幽门螺杆菌的Ner值大于100，其余19种细菌Ner均较低，表明“完全网状结构”在细菌中罕见，提示遗传多样性的长期持续增加最终会通过多种机制抑制同源重组。本课题研究不仅提供了分析高频重组细菌种群结构的方法，而且证实了细菌重组会受到自然选择的影响，给出了高频重组细菌进化研究的两大难题的初步答案。通过探索副溶血弧菌在不同时间尺度上的进化现象，深入挖掘了副溶血弧菌的进化规律，研究结果将不仅为这一重要食源性病原的防控提供理论依据，还将进一步增进人们对细菌重组进化规律的理解。