这是一篇原创研究论文，属于类型a。以下是详细的学术报告：
研究作者与发表信息
该研究题为《基因丢失、抑制、扩增和水平获取塑造了裂殖酵母的半乳糖/蜜二糖代谢》，由北京师范大学生命科学学院的Xiao-Min Du、北京生命科学研究所的Fang Suo，以及北京生命科学研究所兼清华大学多维生物医学研究所的Li-Lin Du共同完成。Li-Lin Du为通讯作者。该论文于2026年4月24日在线发表于《PNAS》（2026, vol. 123, no. 17, e2532532123）。
研究背景与科学问题
微生物中自然变异的代谢能力是适应性进化（Evolutionary Adaptation）的关键驱动力。半乳糖利用（Galactose Utilization）途径在出芽酵母（Budding Yeast）中已成为研究代谢性状进化的模式系统，但其在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中却鲜有研究。尽管S. pombe拥有半乳糖代谢所需的Leloir途径基因簇（Gal Cluster），但分类学文献却将其描述为一个不能利用半乳糖的物种。此前虽有研究表明，上调这些基因的表达可获得生长能力，但这一模式菌株在多大程度上代表了整个物种的多样性仍是未知。因此，本研究旨在系统性地解析S. pombe自然分离株中半乳糖与蜜二糖（Melibiose）利用能力的自然变异（Natural Variation）全景，并揭示其背后的遗传与进化机制。
研究流程与实验方法
本研究的工作流程可概括为以下几个核心环节：
模式菌株功能验证：研究团队首先在S. pombe参考背景（Reference Background）菌株中，利用基于酵母提取物（Yeast Extract, YE）的固体培养基，测试了乙醇（Ethanol）作为诱导信号对半乳糖利用的影响。通过逐个基因敲除（Gene Deletion），系统鉴定了该途径所必需的核心基因，包括半乳糖激酶基因gal1、半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶基因gal7，以及冗余提供UDP-半乳糖4-差向异构酶活性的gal10和uge1。同时，对八种己糖转运蛋白（Hexose Transporter, Ght）基因家族成员进行逐一敲除和过表达（Overexpression），鉴定了必需的半乳糖转运蛋白Ght5。
自然群体表型与基因型筛选：研究选取了58株涵盖了S. pombe已知主要遗传多样性的自然分离株（Natural Isolates）。由于大多数自然分离株为同宗配合（Homothallic），其在碳源利用测试中易于进行有性繁殖（Sexual Reproduction）和产孢，从而干扰基于细胞生长的表型判断。因此，研究人员创新性地将48株同宗配合菌株转化为异宗配合（Heterothallic）衍生株，再系统评估其在不同碳源培养基上的生长表型。据此，作者将这些菌株划分为半乳糖利用缺陷型（Gal⁻）、正常利用型和快速利用型（Galᶠ）等多种表型。
遗传机制解析与回复突变筛选：针对Gal⁻菌株，研究团队通过比较基因组学分析，鉴定了半乳糖基因簇区域的自然缺失类型。对于基因簇完整但表达受抑的Gal⁻菌株，他们通过整合一个由天然gal7启动子驱动的mecitrine荧光报告基因（Reporter），定量检测了不同背景下的基因表达水平。为无偏倚地探寻抑制原因，研究者进行了一项精巧的自发Gal⁺回复突变（Spontaneous Gal⁺ Revertant）筛选实验，并对回复突变株进行全基因组测序（Whole-Genome Sequencing），鉴定出四类高频突变：gal基因簇重复（Duplication）、ght基因重复、转录抑制因子ssn6的功能缺失（Loss-of-Function）突变，以及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路基因win1的功能缺失突变。
新代谢模块的基因组与功能解析：对于Galᶠ菌株，研究团队使用PacBio HiFi技术对其代表菌株dy39827进行了全基因组从头测序和组装，发现并解析了一个位于I号染色体右端粒附近、呈串联重复（Tandem Repeat）排列的新基因簇——gal–mel基因簇（Gal–Mel Cluster, GMC）。每个24.3 kb的重复单元包含9个基因，功能涵盖半乳糖代谢、转运、蜜二糖水解及磷酸葡萄糖变位酶活性。他们进一步通过基因敲除和异源表达（Heterologous Expression），系统验证了GMC中各个基因的功能，如证实GMC中的gmc_ght7a是功能性半乳糖转运蛋白，而原本的ght7实为假基因（Pseudogene）。
系统发育与进化溯源：为探究GMC和另一种独特的蜜二糖酶基因jb875_2nd_mel1的起源，研究利用最大似然法（Maximum Likelihood, ML）构建了涵盖多个裂殖酵母属物种的系统发育树（Phylogenetic Tree）。通过计算基因间遗传距离并分析同线性（Synteny），他们评估了这些基因是通过水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）还是物种内复制产生。同时，利用同义替换率（Synonymous Substitution Rate, dS）分析了GMC侧翼约120 kb区域的异常高度序列分化，并利用棉子糖（Raffinose）这种在自然界中富含的碳源，验证了相关代谢性状的生态适应性优势。
主要研究结果
研究揭示了S. pombe半乳糖代谢中一个极为丰富的自然变异景观。首先，研究确定了乙醇可作为诱导信号，激发参考菌株潜在半乳糖利用能力。在58株自然分离株中，17株表现为Gal⁻。分析其原因发现，7株是由于半乳糖基因簇发生了由不同重组机制介导的完全或部分缺失，作者将其归纳为I型、II型、III型缺失。另外10株虽保有完整的基因簇，但表现出Gal⁻表型，其机制是gal基因表达不足。回复突变实验证实，增加基因剂量如gal基因簇复制或ght基因复制，或破坏转录抑制如ssn6突变、win1突变均可恢复其生长，表明这些菌株的Gal⁻表型是表达量低于功能阈值所致。部分菌株还伴有Ght5转运蛋白功能缺陷。
其次，研究鉴定出一种由基因扩增（Amplification）驱动的Galᶠ表型，其根源于多拷贝的GMC。该基因簇不仅携带半乳糖代谢同源基因，还包含一个有功能的蜜二糖酶基因，赋予了菌株高效利用蜜二糖的能力（Mel⁺）。值得一提的是，一个独立菌株jb875也表现出Mel⁺表型，这是由另一个位于其染色体亚端粒区（Subtelomeric Region）的、独立且独特的蜜二糖酶基因jb875_2nd_mel1所介导。系统发育分析表明，GMC中的大多数半乳糖代谢相关基因和蜜二糖酶基因，与S. pombe自身的经典同源物遗传距离甚远，支系分析强烈支持它们是通过水平基因转移从某个未被取样或已分化的裂殖酵母谱系中获得，而非近期种内复制。GMC侧翼区域表现出的远高于种内水平的dS值，暗示了该区域可能与GMC一并通过基因渐渗（Introgression）进入。最终，在棉子糖环境中的生长实验证实，同时拥有Mel⁺和Galᶠ性状的菌株，由于能全面水解并利用棉子糖产生的果糖、葡萄糖和半乳糖三种单糖，获得了显著生长优势。
研究结论与价值
本研究的结论是，S. pombe在单一代谢性状上展现出一种罕见的“双向进化”（Bidirectional Evolution）模式。一方面是还原性进化（Reductive Evolution），表现为通过基因丢失和转录抑制导致的功能衰退；另一方面是扩张性创新（Expansive Innovation），通过水平基因转移和基因扩增获得增强乃至全新的代谢能力。这两种截然相反的力量在同一个种的基因库（Gene Pool）内并行不悖，共同塑造了动态的代谢能力库。该发现支持了一个关于真核生物基因组可塑性（Genome Plasticity）的修正模型，即适应性进化并非单一路径，而是多重策略的协同作用。在应用价值上，对半乳糖、蜜二糖乃至棉子糖高效利用机制的解析，为利用这类酵母进行生物质转化或发酵提供了新视角和基因元件。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面。第一，发现了罕见的“双向进化”实证，在一个物种、单一代谢途径上同时观察到基因簇的丢失、抑制、扩增和水平获取，修正了传统上认为特定性状进化是单向”单行道”的观点。第二，鉴定出一个通过水平基因转移获得、以多拷贝形式存在的全新代谢基因簇—GMC，极大地扩展了物种的代谢潜能，这是一个真核微生物如何通过获得外来代谢模块而快速演化的精彩案例。第三，方法学上，研究者通过对大量自然分离株进行有性生殖方式的转换，排除了发育过程对营养代谢表型鉴定的干扰，为相关微生物的群体表型研究提供了可靠范式。