在自然界中，微生物细胞必须将基因表达与细胞生长紧密结合，以不断适应各种环境。快速生长是微生物的一个基本问题，对种群适应性至关重要。然而，在细菌的自然生态位中，营养物质的可用性往往波动很大，因此细菌细胞必须采用复杂的适应性反应来应对严重的营养限制。除了生长特性外，适应性和存活率等替代生理特性对细菌适应性也至关重要。因此，细菌细胞的基因调控网络不可避免地需要支持生长特性和其他生理特性。然而，细菌细胞同时优化这些特征从根本上来说是具有挑战性的，因为不同特征（例如生长与存活）的基因库在很大程度上是相互分离的，因此存在资源分配的自然冲突。
最近的研究表明，即使在指数阶段，蛋白质组对替代性状的投资也可能是巨大的，这限制了细胞生长的细胞预算，并导致了权衡。例如，当遇到不良营养条件时，含有较高基础水平的信号素（p）ppGpp和cAMP的大肠杆菌细胞以降低生长速度为代价，获得了更高的适应性和应激反应。因此，细菌细胞并不总是达到生长最大化，在某些情况下可能会留出一些“生长能力”。同样，通过遗传扰动或适应性进化加速生长可能会以降低生存能力、药物耐受性或适应性为代价。因此，细胞生长和其他重要特征之间的基本权衡对微生物细胞实施资源分配决策提出了自然挑战。目前尚不清楚细菌是否可以以某种方式限制或避免这种权衡，以尽量减少指数阶段生长性状的替代生理性状对不必要的资源抢占，即实现基于需求的资源分配调节。
RapP蛋白作为枯草芽孢杆菌的全球生长加速器，实现基于需求的资源分配（图源自Nature Communications ）
重点研究了革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌模型的生长生理学，对其生长控制策略仍然知之甚少。20世纪40年代，通过X射线处理祖先马尔堡菌株产生的实验室驯化菌株168不仅是最早测序的模式革兰氏阳性细菌，而且由于其对基因操作的高度适应性，也是枯草芽孢杆菌群落中研究最深入的对象。与其祖先马尔堡菌株NCIB 3610（=ATCC 6051）相比，菌株168在sfp、swrA、trpC和gudB等相关基因中发生了一些突变，因此在某些社会行为（如生物膜形成和群体运动）方面存在缺陷。此外，菌株168失去了祖先马尔堡菌株的pBS内源性质粒。这些遗传差异提出了一个根本问题，即菌株168在多大程度上可以真正代表其祖先枯草芽孢杆菌菌株的生长生理。研究确定了枯草芽孢杆菌祖先菌株的一种全球策略，即通过采用基于需求的资源分配调节来实现快速生长，而不损害长期适应性，这在广泛使用的驯化枯草芽孢杆菌菌株中已经失去了。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53992-x
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