本研究由Michelle G. J. L. Habets、Daniel E. Rozen、Rolf F. Hoekstra和J. Arjan G. M. de Visser共同完成，第一作者与通讯作者均隶属于荷兰瓦赫宁根大学遗传学实验室（Laboratory of Genetics, Wageningen University），第二作者Daniel E. Rozen同时隶属于美国埃默里大学生物学系（Department of Biology, Emory University）。该研究于2006年发表于Ecology Letters第9卷，页码为1041–1048，文章标题为《The effect of population structure on the adaptive radiation of microbial populations evolving in spatially structured environments》。该期刊为生态学领域的重要学术刊物，所发表内容通常涉及具有广泛理论意义的生态与进化研究。
本研究关注的核心科学问题是空间结构（spatial structure）如何影响微生物群体的适应辐射（adaptive radiation），特别是群体结构（population structure）在遗传多样性形成与维持中的作用。适应辐射本是进化生物学中的重要概念，指一个祖先物种在较短时间内分化出多个具有不同生态适应特征的类群。研究者指出，生态机遇（ecological opportunity）是适应辐射的关键前提，而生态机遇可以通过生态位差异、资源分配、时间生态位分配以及空间生态位分配等多种方式实现。空间结构在理论上被认为能够通过多种途径促进适应辐射：第一，空间结构可以引入环境异质性（environmental heterogeneity），例如形成非生物或生物因素的梯度；第二，空间结构使群体被分割为多个相对独立进化的小亚群体，这类小群体因遗传漂变（genetic drift）和趋向固定小效应有益突变的特性，可能采取多样化的适应路径；第三，群体分割（population fragmentation）还可能促进生态位构建（niche construction），即生物自身改变环境条件从而为新的基因型创造新的生态位。然而，尽管理论预测较为丰富，当时直接检验空间结构对适应辐射影响的实验证据仍然较少。因此，本研究旨在系统区分空间结构的不同后果，特别是环境异质性本身与环境异质性加上群体结构（包括群体分割和生态位构建）对群体多样化的不同贡献。
为了实现这一目标，研究者以大肠杆菌（Escherichia coli）为实验对象，设计了一个包含三种结构环境的长期进化实验。这三种环境营养成分相同，但物理结构不同：第一种是无结构环境，即摇动的液体培养基（tube）；第二种是有空间结构且群体结构在每天转移时保持完整的琼脂平板环境（structured plate）；第三种是有空间结构但群体结构在每次转移前被混合破坏的琼脂平板环境（mixed plate）。实验分别在两种营养环境中开展：一种是以葡萄糖为唯一碳源的简单基本培养基（DM250），另一种是含有多种碳源的复杂培养基（1/10 LB）。每个处理最初设置六个重复群体，部分群体因污染而被排除，最终部分处理仅保留两到四个重复群体用于分析。所有群体均由单一基因型的大肠杆菌B株（rel606或rel607）建立，每24小时转移一次，每次转移约50微升静止期培养物，经过约200倍增长，相当于每天约8代。实验共持续900代。在进化实验过程中，每隔100代保存群体样本和单克隆样本。在表型与适应度测定中，研究者使用相对适应度（relative fitness）竞争实验比较进化克隆与祖先克隆的适应度差异，同时使用Biolog PM1表型微阵列检测克隆对48种碳源的分解代谢能力差异，并通过频率依赖性选择实验检测群体内共存机制的稳定性。
研究结果显示，三种处理在适应度进化速率上存在显著差异。混合平板群体的平均适应度显著高于结构平板群体，这符合群体分割会降低适应速率的预期。此外，总体而言，平板环境的群体适应度高于试管环境群体，尽管两者资源相同。为了检验这种适应度差异是否与适应特异性有关，研究者将进化群体分别在试管和平板两种环境中与祖先竞争。结果显示，试管中进化的群体在试管和平板环境中的相对适应度没有显著差异，而平板中进化的群体在平板环境中的适应度显著高于其在试管中的适应度，说明平板环境可能包含额外或不同的生态位，这些生态位对群体适应具有特异性贡献。
在群体内部多样性检测方面，研究者首先分析同一群体中三个克隆之间相对适应度的差异，结果几乎没有发现显著的群体内适应度变异。然而，相对适应度不是检测群体内多样性的敏感指标。因此，研究者进一步使用Biolog表型微阵列检测复杂培养基环境中进化至900代的群体内部八个克隆的碳分解代谢差异。结果显示，只有结构平板群体表现出显著的克隆间分解代谢差异，而试管群体和混合平板群体均未表现出显著的群体内克隆差异。具体而言，两个结构平板群体（ara+1和ara+2）的克隆之间在碳源利用上与祖先的偏离程度存在显著变异，这种变异提示群体内已经形成了不同的代谢类型。这一结果直接支持了作者的核心假设：只有当空间结构与保持完整的群体结构结合时，群体内部才会出现明显的多样化。
为了判断这种多样性是否能够稳定维持，研究者进一步检测了负频率依赖性选择（negative frequency-dependent selection）。该机制被认为是维持群体内遗传多样性的重要方式，表现为某种基因型在其频率较低时具有更高的适应度，从而可以避免被竞争排除。实验中，研究者将来自ara–群体的三个进化克隆分别与其所属群体的其余部分以1:1和1:10两种初始频率竞争，并计算“稀有优势”（advantage when rare, AWR）。总体分析显示，平板群体的平均AWR显著高于试管群体，说明平板群体中存在明显的负频率依赖适应度相互作用。进一步对四个可分析的平板群体分别检验后发现，只有结构平板群体的克隆表现出显著的AWR，而混合平板群体中的AWR不显著。这一结果说明结构平板群体内部形成的多样性并非暂时现象，而是通过频率依赖性选择得以稳定共存。
综合来看，本研究通过系统的实验设计证明，空间结构对适应辐射的影响不能简单归结为环境异质性单一因素的作用。只有当空间结构同时导致群体分割并保持群体结构完整时，群体内部才会产生显著的多样化。群体分割使群体由许多较小的相对独立亚群体组成，这些亚群体因遗传漂变和固定小效应有益突变而可能走上不同的适应路径。然而，分割本身无法解释多样性的稳定共存，因为稳定共存要求不同基因型具备从低频状态增长的能力。研究者认为，观察到的负频率依赖性选择提示生态位构建可能在其中发挥了作用。也就是说，群体中某些基因型通过改变局部环境条件，为其他基因型提供了新的生态位，从而促进了互惠或交叉喂养（cross-feeding）等相互作用，并最终维持了群体内的多样性。同时，作者也指出，另一种可能的解释是环境异质性与群体分割的交互作用：小群体具有更强的适应探索能力，而大群体中的周期性选择可能更快地清除尚未固定的变异，从而限制了多样化。但无论哪种解释成立，该研究均强调群体分割这一群体遗传因素在空间结构促进适应辐射中的关键作用。
该研究的突出贡献在于，首次系统地分离了空间结构的几个不同后果对适应辐射的影响。通过比较无结构液体环境、有结构但群体混合的平板环境和有结构且群体结构保持完整的平板环境，作者成功地区分了环境异质性自身与环境异质性加群体结构的效应。这一实验设计具有方法学上的新颖性，为后续研究空间结构与多样性关系提供了可借鉴的范式。此外，该研究还提示在微生物实验进化中，除了关注生态因素之外，群体遗传因素如群体大小和群体分割同样对适应辐射的启动与维持具有重要影响。这一结论对于理解细菌在自然结构化环境中的进化动态、病原菌在宿主组织等异质性环境中的适应与分化，以及生物技术中微生物群落的构建与优化均具有一定的启发意义。