香港中文大學（中大）生命科學學院的研究人員開發了一種新方法，透過分析真核生物（eukaryotes）的化石，獲取當中與阿爾法變形桿菌（Alphaproteobacteria）演化相關的時間信息，藉此推算這類細菌的起源及進化歷程。這項發現不但是細菌演化生物學領域的一項重大突破，亦為致病細菌的出現帶來啟示。研究成果已刊登在國際著名學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

在地球數十億年歷史，首三分之二的日子裡，生命都只是以微生物形式存在。建立微生物的演化時間線，對了解它們的演化歷程至關重要。因此，科學家建立一套「分子鐘」（molecular clock）用以估算物種的演化歷程，其理論是基於基因組序列的差異（基因突變）是隨著時間而累積，其速率大致恆定。

許多真核生物包括動物和植物均會留下化石，為「分子鐘」的速率校正提供寶貴的時間信息；然而，細菌等微生物極少會留下化石等生命痕跡，這對推算不同細菌演化與起源時間，帶來很大挑戰及困難。

中大生命科學學院副教授羅海偉教授及博士後研究員王思碩博士最近完成一項針對阿爾法變形桿菌的研究，可以彌補細菌化石稀缺對演化時間推算造成的不確定性。阿爾法變形桿菌是环境中常見的細菌類群，當中包含多種細菌，部分在演化過程中與動物（例如立克次氏體）及植物（例如根瘤菌）形成了緊密的共生或寄生關係。因此，相關研究不但可獲取細菌演化的時間信息，更可了解到它們過去與多個重大地質、生態及演化事件的關聯。

是次研究參考了學界著名的線粒體內共生（mitochondrial endosymbiosis）學說，該學說指出真核生物細胞中負責呼吸作用的線粒體，在演化上源自阿爾法變形桿菌的一個分支。羅教授和王博士於是通過構建阿爾法變形桿菌和線粒體的「系統發育樹」，列出物種之間的進化關係，並加以利用真核生物化石中蘊藏的時間信息，推算阿爾法變形桿菌及其主要分支的演化歷程。

研究團隊表示，新的研究方法修正了透過間接證據推算演化歷程所產生的誤差。例如過去的研究假定致病細菌與其宿主是同步演化，忽略了演化過程中細菌轉換宿主的可能性。在新方法下，團隊同時推算致病細菌（包括各種寄生蟲）及其宿主的起源時間，發現立克次氏體（Rickettsiales）——阿爾法變形桿菌的一個重要類群及眾多動物致病菌的來源——其起源時間遠早於動物（該細菌現今的主要宿主），卻與原生生物（protists；真核微生物，如阿米巴蟲和纖毛蟲）大致相同。進一步分析顯示，立克次氏體細菌在演化過程中曾多次轉換宿主，由原生生物轉移至動物。這項發現提醒大家要多留意這些單細胞真核微生物，它們不斷演化有機會成為新的人類致病菌。

羅教授表示：「獲取準確的時間信息以校準『分子鐘』一直是推算生物演化時間工作中最困難的任務之一。我們今次研究則提供了可靠方法，可用於推算任何涉及內共生事件的時間信息，包括線粒體內共生，對植物起源有重要意義的質體（plastid）內共生，以及真核生物中反復出現的二次及三次（質體）內共生。由於內共生事件在生物演化中意義重大，我們相信今次研究成果為推算整個微生物生命之樹的演化時間提供了新思路。」

此項研究由香港研究資助局卓越學科領域計劃（AoE/M-403/16）及南方海洋科學與工程廣東實驗室（廣州）香港分部資助。論文全文可瀏覽：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23645-4。

關於研究團隊

羅海偉教授於2015年加入中大，現時是中大農業生物技術國家重點實驗室的成員。羅教授致力利用基因組學方法研究微生物的演化及其對海洋和陸地生態系統的適應，並且深入探討對碳、氮、硫循環相關的微生物類群生態和演化。他的研究成果在海洋保護和農業生產方面有重大影響力。

王思碩博士於2017年在加拿大卑詩大學取得博士學位，此後加入中大羅海偉教授團隊擔任博士後研究員，主要研究方向為細菌演化與基因組學，其研究成果在多個著名國際學術期刊上發表，包括《自然通訊》、《國際微生物生態學會雜誌》、《mBio》及《mSystems》等。