分子宠物还是寄生虫？探索对质粒垂直与水平转移的选择作用

理解驱动质粒水平转移增加之选择的环境条件，对于预测质粒编码抗生素耐药性的传播至关重要。在自然系统中，质粒表现出多样化的生活策略，范围从“宿主中心型”策略——即偏向母细胞向子细胞的垂直基因转移（VGT），以牺牲水平迁移能力为代价——到“寄生型”策略——即偏向通过接合进行水平基因转移（HGT），以牺牲宿主适应度为代价。然而，实验室进化实验往往偏向宿主中心型进化，这凸显了我们在稳定筛选水平迁移能力方面存在的不足。为了理解这种实验偏倚，我们构建了一个数学模型，用于探讨多效性转移突变的入侵过程。通过局部线性稳定性分析，我们推导出了一个入侵判据，表明在给定多效性代价的条件下，是否存在可利用的无质粒细胞决定了转移增加是否会受到选择。 我们进一步扩展了该模型，以更好地表征我们此前的进化实验；在该实验中，尽管加入了无质粒细胞并周期性地对转接合子进行筛选，仍然选择出了一个宿主中心型突变体。我们发现，标准的分批培养方案本质上会对VGT施加强烈的选择压力，从而严重限制了实验室中对HGT增加现象的观察。我们通过实验和理论证明，对实验方案进行一个简单修改——通过消除分批培养传代来尽量减少过量生长——能够有效地使选择方向转向HGT。最后，我们进行了参数扫描，以预测假想突变体在HGT-VGT表型空间中的入侵成功率。我们的预测框架可用于进一步探索在更接近自然环境的条件下质粒转移的进化过程，在这些环境中，医学和环境相关的重要质粒发生演化。

理解驱动选择增强质粒水平转移的环境条件，对于预测质粒编码的抗生素抗性传播至关重要。在自然系统中，质粒表现出多样化的生活史策略，范围从“宿主中心型”策略——其偏向于通过母细胞向子细胞的垂直基因转移（VGT），并以牺牲水平迁移能力为代价——到“寄生型”策略——其偏向于通过接合进行水平基因转移（HGT），并以牺牲宿主适合度为代价。然而，实验室进化实验往往偏向于宿主中心型进化，这凸显了我们在稳定选择水平迁移能力方面存在的不足。为了理解这种实验偏倚，我们构建了一个数学模型，用于探索具有多效性转移突变的入侵过程。通过局部线性稳定性分析，我们推导出一个入侵判据，表明对于给定的多效性代价，无质粒细胞的可获得性决定了增强转移是否会受到选择。

我们进一步扩展了该模型，以更好地表征我们先前的进化实验；在该实验中，尽管加入了无质粒细胞并定期对转接合子进行选择，最终仍选择出了一个宿主中心型突变体。我们发现，标准的批次培养方案本质上会对VGT施加强烈的选择压力，从而极大限制了实验室中对HGT增加现象的观察。我们通过实验和理论证明，一种简单的方案修改——通过消除批次培养传代来尽量减少过量生长——能够有效地使选择倾向于HGT。最后，我们通过参数扫描预测了假想突变体在HGT-VGT表型空间中的入侵成功率。我们的预测框架可用于进一步探索在更能代表自然环境的条件下质粒转移的进化，而医学和环境相关的重要质粒正是在此类条件下发生进化的。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.02.729688v1?rss=1

🏷️ 质粒转移 水平基因转移 垂直基因转移 数学模型 实验进化 抗生素耐药