《European Journal of Protistology》：Statistical distributions of gene expression levels in the non-model ciliate
Colpoda across strains and genes using transcriptome sequencing
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基因表达变异是形态与功能多样性进化的关键驱动因素，本研究首次系统解析了土壤中两大优势纤毛虫Colpoda steinii和Colpoda inflata在自然生态中的转录组特征，通过56和31株的RNA测序发现其表达水平普遍遵循对数正态分布，但部分菌株呈现双峰分布，提示可能存在显著的遗传分化。研究建立了非模式生物转录组变异的量化统计框架，为揭示土壤微生物生态适应性进化机制提供了新视角。
张志荣|李海超|邓志光|杜海峰|王耀海|叶志强|龙洪刚|张宇
中国海洋大学进化与海洋生物多样性研究所（教育部重点实验室），青岛市266003
摘要
基因表达变异是表型多样性和进化的主要驱动力。然而，它在自由生活的纤毛虫中的作用，尤其是在非模式物种中，仍然很大程度上未被探索。在这项研究中，我们分析了主要来自中国大陆的Colpoda steinii和C. inflata菌株的基因表达变异。这两种纤毛虫在土壤微生物群落中占主导地位，分布广泛，并且有利于促进作物生长。通过对56株C. steinii和31株C. inflata进行群体转录组测序和严格的质量控制筛选，我们识别出表达基因以表征基因表达水平的统计分布。在这两个物种中，大多数菌株的基因表达遵循对数正态或偏态对数正态分布，表明基因调控稳定，支持使用表达水平的几何平均值来估计基因活性。然而，一些菌株显示出双峰分布，这可能与菌株特有的遗传差异有关。与细胞维持和应激反应相关的高表达基因在这些双峰分布中占比较高。这些发现突显了Colpoda物种中基因表达的稳健调控，对于理解其生态和进化动态具有重要意义。我们的研究提供了一个统计框架，用于量化生物特征及其分布，为原生生物的生物统计学和更广泛的生物学应用做出了贡献。
引言
基因表达的变异是表型变异的主要来源之一，推动了生物多样性、进化甚至疾病的发生。例如，人类群体中免疫反应基因的遗传变异（如参与细胞因子产生的基因）导致不同的表达谱，从而影响对结核病等疾病的易感性（Maertzdorf等人，2011年；Wallis和Ellnor，1994年）。这种变异导致不同群体之间的基因表达存在差异，使对当地病原体具有更强抵抗力的个体具有进化优势。同样，在Saccharomyces cerevisiae中，基因表达变异有助于在不同环境条件下的表型多样性，如硫酸铜抗性和耐寒性，增强了物种在多样化栖息地中的生存和适应能力（Fay等人，2004年）。在寄生性原生生物中，表观遗传调控的基因表达变异性使它们能够适应宿主条件的变化，有助于疾病的进展和传播（Duraisingh和Horn，2016年）。然而，尽管基因表达变异在这些背景下起着重要作用，但在自由生活的纤毛虫中，尤其是在非模式物种中，它仍然研究不足。Colpoda Müller, 1773（纤毛门：Colpodea）是一种在土壤中占主导地位、高度多样化的但被忽视的非模式纤毛虫属，具有典型的纤毛虫核装置和带有端粒的线粒体（Lyu等人，2024年；Zhang等人，2024年，Zhang等人，2025年）。它们在调节土壤微生物群落方面起着关键作用，并通过增强土壤养分循环、去除病原体和促进有益的微生物-植物相互作用来促进植物生长（Guo等人，2024年；Li等人，2024a；Zhang，2022年）。它们的土壤栖息地复杂多变，受到降雨、径流渗透、阳光、风干和温度波动等各种外部环境和物理化学因素的影响。这些动态条件创造了高度多变的环境，
Colpoda物种成功适应并在其中生存甚至繁衍（Sogame等人，2024年，Sogame等人，2025年；Zheng等人，2024年）。因此，
Colpoda物种内的基因表达变异预计在其应对这些挑战的能力中起着关键作用。这种变异可能发生在不同层次，包括单个菌株内的基因差异或不同自然菌株之间的差异。理解这些遗传反应对于揭示
Colpoda物种如何促进土壤健康、生物多样性和生态系统稳定性至关重要。
在这项研究中，我们从中国大陆不同地点收集并分离了两种全球分布的Colpoda物种C. inflata和C. steinii的多个自然菌株（Bowers等人，1998年）（图1）。我们使用这些菌株的营养体构建了低输入RNA-Seq文库来分析它们的转录谱。通过检查不同菌株之间的基因表达水平，我们旨在估计这些物种内基因表达的变异。这种方法使我们能够探索基因表达水平的概率分布，为理解基因表达变异如何贡献于Colpoda物种在复杂且波动的土壤生态系统中的生态功能和生存策略提供了有价值的基础。这项研究代表了首次对自然纤毛虫群体中菌株和单个基因的基因表达变异进行统计探索。这些发现也可能揭示土壤微生物中更广泛的基因调控模式。
样本收集、菌株分离和鉴定
对于每次采集，我们首先在2019年至2022年间收集了约15厘米的表层土壤，主要来自中国大陆（地点信息见补充表S1）（图1），并立即将样品冰镇后送往实验室。然后我们将约5克土壤包裹在纱布中，并将其浸泡在25°C的培养皿中的蒸馏水中。复苏的细胞在Olympus SZX2-ILLTQ解剖显微镜下观察。具有Colpoda形态的单个细胞被转移到含有500微升细菌的孔中
从广泛地理范围内的不同栖息地成功分离出Colpoda steinii和C. inflata菌株
我们从中国大陆的各种土壤栖息地（包括草原、盐碱地区、湖岸等）成功分离出了56株Colpoda steinii和31株C. inflata（图1）。这些栖息地跨越了不同的纬度和经度，提供了广泛的生态代表性。这些栖息地的多样性可能会影响菌株间的基因表达变异，提供了对该物种转录情况的全面了解
讨论
在这项研究中，我们成功分离并分析了来自不同生态栖息地的多个Colpoda steinii和C. inflata自然菌株的基因表达变异。通过应用转录组测序和严格的质量控制，我们发现基因表达分布主要遵循对数正态或偏态对数正态模式，无论是菌株之间还是基因之间，反映了它们稳定的调控。尽管如此，我们的方法仍存在一些局限性，尤其是
结论
在这项研究中，我们探讨了从不同环境（主要来自中国大陆）分离出的Colpoda steinii和C. inflata菌株的基因表达变异。通过群体转录组学，我们识别出基因表达的统计分布，这有助于更深入地理解这些全球分布物种的基因调控。这项研究不仅有助于我们理解纤毛虫的基因表达模式，还突显了应用
CRediT作者贡献声明
张志荣：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，正式分析。李海超：写作——审稿与编辑，方法学，研究。邓志光：写作——审稿与编辑，可视化。杜海峰：写作——审稿与编辑。王耀海：写作——审稿与编辑，可视化。叶志强：写作——审稿与编辑。龙洪刚：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，资源获取，资金申请
资助
本工作得到了国家自然科学基金（32471688）、甘肃省自然科学基金（25JRRK001）和山东省泰山学者计划（tstp20240813）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢IEMB-1高性能计算平台的技术团队的支持，以及许多协助样本收集的同事们的帮助。
