正选择抑制细菌基因组中的质粒共存( Positive Selection Inhibits Plasmid Coexistence in Bacterial Genomes )

Laura Carrilero Anastasia Kottara David Guymer Ellie Harrison Michael A. Brockhurst

质粒通过在谱系间传递生态位适应性功能基因，从而驱动基因组多样化，在细菌进化中发挥重要作用。细菌基因组通常包含多个共存的质粒复制子，这些复制子可以通过增加可供选择的基因功能范围并允许它们重组来促进适应。然而，质粒共存很难解释，因为质粒的获取通常会引起宿主细胞的高适应成本。在这里，我们表明质粒共存是稳定维持的，没有正向选择质粒携带的基因功能，并与补偿进化相关，以减少适应成本。相反，在正选择的情况下，质粒共存是不稳定的，尽管有代偿进化。正选择区分功能冗余的质粒复制子的不同适合性益处，只保留更有益的质粒。这些数据表明，虽然由于代偿性进化，反向选择对抗质粒适应度成本的效率随着时间的推移而下降，但正向选择最大化质粒来源的适应度效益仍然有效。我们的发现有助于解释细菌基因组的结构力量：基因组中多个质粒的共存可能需要自然界罕见的正选择，或者共存质粒之间附属基因功能的不冗余。重要细菌基因组通常包含多个共存的质粒，这些质粒提供了像抗生素耐药性这样的重要功能。通过实验室实验，我们表明这种质粒在基因组中的共存只有在它们编码的功能无用的环境中才是稳定的，但如果功能对细菌适应度有用和有益，则不稳定。当竞争质粒执行相同的有用功能时，只有最有益的质粒被细胞保留，这一过程类似于生态群落中的竞争排斥。这一过程有助于解释细菌基因组的结构：当选择放松时，细菌基因组通过获得多个质粒而扩大大小，但随后在针对有用的质粒编码功能的强烈选择期间收缩。

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