Lars Bosshard、Isabelle Dupanloup、Olivier Tenaillon、Rémy Bruggmann、Martin Ackermann、Stephan Peischl 以及 Laurent Excoffier 等研究人员在 Genetics 期刊上于 2017 年 10 月发表了题为 “Accumulation of deleterious mutations during bacterial range expansions” 的研究论文。该研究由 University of Berne、Swiss Institute of Bioinformatics、French National Institute of Health and Medical Research、ETH Zürich 以及 Eawag 等机构合作完成，旨在通过实验验证一个重要的理论预测：在空间扩张过程中，由于扩张前沿的遗传漂变作用增强、自然选择效率降低，有害突变可能在先锋种群中累积，导致种群适合度下降，即所谓的“扩张负荷”（expansion load）。

该研究的学术背景是群体遗传学与实验进化生物学。此前理论模型（Peischl et al. 2013, 2015）预测，范围扩张类似于反复的奠基者事件，扩张前沿的有效种群大小非常小，使有害突变难以被有效清除，进而导致扩张负荷。然而，该理论一直缺乏直接实验证据。大肠杆菌（*Escherichia coli*）因其单倍体、无性生殖、易于培养和遗传操作，且可在琼脂平板上形成清晰的扩张前沿，成为验证该理论模式的理想体系。研究使用了可通过阿拉伯糖浓度调控突变率的 mutS 缺陷型菌株，以获得高突变率（HMR）和低突变率（LMR）品系，并在琼脂平板和恒化器中开展对照进化实验，以比较空间扩张与充分混合环境下的适合度演化。

本研究采用了一个系统性的实验流程，包括多个步骤。首先，研究人员设定了范围扩张实验方案：将约 100 万个细菌接种至 LB 琼脂平板中央，让其径向扩张 3 天，然后从菌落边缘随机取样约 1 亿个细菌，再取约 100 万个细胞重新接种至新平板。该过程重复 13 次，总计 39 天，约 1650 代。实验中包括 57 个 HMR 品系和 10 个 LMR 品系。其次，作为对照，10 个 HMR 品系在恒化器中以相同代时进行充分混合培养，最终有 7 个样品未被污染并用于测序。为估算突变率，研究者对祖先株、HMR 品系、LMR 品系和恒化器进化品系进行了波动试验（fluctuation test），使用萘啶酸抗性作为突变检测指标。随后，研究对所有进化品系进行了全基因组测序，测序平台包括 HiSeq 2500、MiSeq 和 HiSeq 3000，平均覆盖率超过 100 倍。突变检测结合了 GATK 和已发表的定制流程，并通过人工验证确定突变。非同义与同义替代比例（dN/dS）以及 PROVEAN 得分用于评估突变潜在的选择效应和功能影响。为了测量适合度，研究采用了三种方法：直接在琼脂平板上进行径向竞争实验，比较进化品系与祖先株；线性竞争实验，通过菌落边界角度计算相对选择系数；以及在液体培养基中测量生长速率。此外，研究利用 Peischl et al.（2015）提出的解析模型，通过拟合菌落半径随时间的演化轨迹来估计突变适合度效应分布（DFE）及扩张前沿有效种群大小。该 DFE 被建模为偏移伽马分布（displaced gamma distribution），包含形状参数 α、速率参数 β 和最大有益突变效应参数 δ。研究还通过基于观察到的突变数和菌落大小变化的极大似然方法独立估计了 DFE，并使用参数自举法（parametric bootstrap）构建置信区间。

研究结果包含多个重要发现。在突变模式方面，HMR 品系平均累积 115.0 个突变，LMR 品系为 31.5 个，恒化器品系仅 17.57 个，三者差异显著。HMR 品系的 dN/dS 为 1.014，LMR 品系为 1.093，均接近 1，表明非同义和同义突变几乎以相同速率固定，说明选择在琼脂扩张品系中很弱。相反，恒化器品系的 dN/dS 为 1.334，显著高于 HMR 品系，提示正选择在充分混合条件下更为有效。PROVEAN 分析显示 60% 以上的非同义突变可能对蛋白功能有较强影响。适合度测量结果：HMR 品系的菌落半径随时间平均每天减少 78 μm，39 天后 3 天菌落大小平均下降 33%；LMR 品系无显著变化。径向竞争实验中，10 个 HMR 品系中有 9 个被祖先株竞争排斥，LMR 品系中 7 个被排斥。线性竞争实验中 HMR 品系平均相对适合度仅为 0.81，显著低于祖先株；LMR 品系平均相对适合度为 1.08，略高于祖先株。液体培养测量显示 HMR 品系平均生长速率比祖先株低 17%，而 LMR 品系无显著差异。恒化器品系在径向和线性竞争实验中均表现优于祖先株或在同一水平。基于菌落大小轨迹拟合的 DFE 显示绝大多数新突变为近中性，平均选择系数为 −0.00379，60.3% 的新突变为有害。扩张前沿有效种群大小估计为 14.6，与早期研究估计的约 10 个细胞一致。基于观察到的突变数的 DFE 平均效应为 −0.0029，与基于全部突变的 DFE 相似，说明大多数新突变在进化过程中得以保留，仅强有害突变被清除。似然比检验未发现 HMR 与 LMR 品系的 DFE 有显著差异。此外，研究还观察到一个有趣的动态：在实验早期，LMR 品系和 HMR 品系的菌落大小均有短暂增加，随后才开始下降，这可能反映了早期有益突变在扩张前沿的快速固定。

该研究的结论明确支持扩张负荷理论。在空间扩张过程中，HMR 品系积累了大量有害突变，导致其在琼脂上的扩张能力和液体中的生长速率均显著下降。然而，这些突变大多不受有效选择清除，因为 dN/dS 接近 1 且 DFE 几乎对称。相比之下，在充分混合的恒化器中进化的 HMR 品系突变数少得多，且适合度未下降，说明大种群的有效选择能清除有害突变。研究还表明，HMR 品系的扩张负荷不仅影响其在琼脂上的表现，也降低了在液体培养基中的一般生长能力，说明部分突变具有普遍有害效应。该研究的重要价值在于提供了直接实验证据，证明空间扩张过程本身可以导致有害突变积累和适合度衰退，而不仅仅是由于环境特异的拮抗多效性。这扩展了我们对自然种群特别是扩张物种中突变负荷形成机制的理解，并对癌症等体细胞扩张过程中的体细胞突变积累有潜在启示。研究的亮点包括：采用了可调控突变率的细菌品系以加速演化观察，结合全基因组测序、竞争实验和解析模型，定量估计了扩张前沿的 DFE 和有效种群大小，并在个体水平上揭示了空间扩张对选择效率的深刻影响。