聚糖生物合成多样性揭示“Candidatus Accumulibacter”胞外聚合物的生态进化新机制

《Biofilm》：Phylogenetic analysis reveals diversity in glycan biosynthesis in “ Candidatus Accumulibacter”

本研究针对生物膜胞外聚合物（EPS）中聚糖组成多样性机制不清的问题，通过基因组学方法系统分析了“Candidatus Accumulibacter”属的核苷酸糖生物合成潜力。研究发现该属存在9种保守核心核苷酸糖和12种变异辅助核苷酸糖的双重分布模式，辅助途径呈现水平基因转移等复杂进化特征，为理解微生物聚糖生态功能提供了新视角。

　　

在微生物世界中，生物膜是普遍存在的生命形式——据估算自然界中40-80%的细菌都以生物膜状态生存。这种由胞外聚合物（EPS）构成的凝胶状基质，不仅是微生物的“家园”，更是废水处理等生物技术过程的核心功能单元。然而，构成生物膜骨架的聚糖成分却如同一个巨大的黑箱：其化学结构高度异质，生物合成途径复杂，且缺乏直接从基因组读取的模板，使得研究者难以系统揭示其多样性规律。

针对这一挑战，来自代尔夫特理工大学的研究团队将目光投向了废水处理系统中的关键功能菌属——“Candidatus Accumulibacter”。发表于《Biofilm》的这项研究创新性地采用自下而上的基因组学策略，通过分析61个高质量宏基因组组装基因组（MAG），首次系统揭示了该属聚糖前体生物合成的进化生态学特征。

关键技术方法

研究团队从NCBI获取118个“Ca. Accumulibacter”MAGs，通过CheckM质量筛选（完整性>90%，污染度<5%）获得61个高质量基因组。利用ppk1基因构建系统发育树进行属内分类，采用HMMER工具基于KEGG KOfam数据库系统检测核苷酸糖生物合成途径（map01250），并通过单系性分析和Fitch算法解析基因进化历史。

“Ca. Accumulibacter”属具有可变的核苷酸糖代谢

研究发现该属能够产生21种核苷酸糖，其中9种构成核心组（存在于>90%菌株），包括葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺等基本单糖；而12种辅助核苷酸糖则呈现不连续分布，涵盖尿苷酸、非ulosonic酸等稀有糖类。值得注意的是，核心途径形成与中心碳代谢相连的连续网络，而辅助途径则像树枝般从核心网络延伸而出，这种结构特征排除了基因组不完整性造成的假象。

核苷酸糖基因组潜力在“Ca. Accumulibacter”系统发育中不规则分布

通过ppk1基因系统发育树与途径分布模式的对比，研究人员发现辅助核苷酸糖的存在明显偏离系统发育预期。Fitch算法计算显示，辅助途径需要中位数10.5次独立获得/丢失事件才能解释其分布模式，显著高于核心途径的2次（p=0.0008），表明辅助成分的进化受到频繁的横向转移事件影响。

辅助核苷酸糖途径具有 divergent 进化历史

基因家族单系性分析进一步证实，核心核苷酸糖基因呈现完美单系性（中位数得分1.0），而辅助基因则高度分散（中位数得分0.72，p=0.0002）。例如，典型核心基因UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷酰转移酶（K00963）的所有菌株序列形成单一进化枝，而辅助基因UDP-N-乙酰-alphaD-奎诺糖胺脱氢酶（K24310）的序列则分散在不同进化分支中，提示其通过水平基因转移（HGT）多次独立传入该属。

讨论与意义

该研究揭示了聚糖生物合成潜力在近缘菌属中的高度变异性，特别是核心与辅助核苷酸糖途径的二分法现象。核心途径编码的常见单糖可能负责维持基本细胞功能，而辅助途径的稀有糖类则可能通过改变聚合物理化性质（如电荷密度），在生物相互作用中发挥特异性识别功能。

特别值得关注的是，研究提出了频率依赖性选择（FDS）的理论框架来解释这种多样性：当某种糖型在群体中过于普遍时，会更容易被噬菌体识别或被捕食者靶向，从而驱动种群通过HGT等机制不断产生新的糖型变异。这种“红皇后效应”式的进化军备竞赛，可能是驱动微生物聚糖多样化的核心动力。

从应用视角看，这项研究对基于EPS回收的资源化技术具有重要启示：核心糖组分为产品一致性提供基础保障，而辅助成分的波动性则可能影响终产品性能。未来需要从物理化学层面而非单纯组成层面来评估EPS的产品质量，这对废水处理中生物聚合物的标准化应用至关重要。

这项研究不仅开辟了通过前体代谢分析探索聚糖多样性的新路径，更揭示了微生物胞外聚合物在生态互作中的进化动态，为理解生物膜系统的稳定性与适应性提供了新的理论框架。