新技術(shù)決定細(xì)菌進(jìn)化的里程碑

細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出各種各樣的適應(yīng)能力來適應(yīng)地球上的每一個(gè)棲息地。但與可以作為化石保存的動(dòng)植物不同，細(xì)菌幾乎沒有遺傳進(jìn)化的物理證據(jù)，這使得科學(xué)家很難準(zhǔn)確確定不同細(xì)菌種群的進(jìn)化時(shí)間。

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種可靠的方法來確定某些細(xì)菌群何時(shí)出現(xiàn)在進(jìn)化記錄中。這項(xiàng)技術(shù)可用于識(shí)別細(xì)菌進(jìn)化過程中何時(shí)發(fā)生了重大變化，并揭示導(dǎo)致這些變化的原始環(huán)境的細(xì)節(jié)。

在1月28日《BMC進(jìn)化生物學(xué)》(BMC Evolutionary Biology)在線發(fā)表的一篇論文中，研究人員報(bào)告稱，利用這一技術(shù)，確定在大約4.5億至3.5億年前的古生代時(shí)期，幾個(gè)主要的土壤細(xì)菌群從真菌中獲得了一個(gè)特定的基因。這使它們能夠分解幾丁質(zhì)，一種在真菌細(xì)胞壁和節(jié)肢動(dòng)物外骨骼中發(fā)現(xiàn)的纖維物質(zhì)，并利用其產(chǎn)物生長(zhǎng)。

這種細(xì)菌的進(jìn)化適應(yīng)可能是由環(huán)境的重大變化驅(qū)動(dòng)的。大約在同一時(shí)期，早期的節(jié)肢動(dòng)物如蜘蛛、昆蟲和蜈蚣正從海洋遷移到陸地。隨著這些陸生節(jié)肢動(dòng)物的擴(kuò)散和多樣化，它們留下了幾丁質(zhì)，創(chuàng)造了更豐富的土壤環(huán)境，并為細(xì)菌提供了新的機(jī)會(huì)，尤其是那些具有幾丁質(zhì)酶基因的細(xì)菌。

麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系塞西爾和艾達(dá)格林的地球生物學(xué)助理教授格雷戈里福尼爾說，“在此之前，你會(huì)有土壤，但它可能看起來像南極洲的一個(gè)干燥的山谷。”“動(dòng)物第一次生活在土壤中，這為微生物利用和多樣化提供了新的機(jī)會(huì)?！?

Fournier說，通過追蹤細(xì)菌中的幾丁質(zhì)酶等一些基因，科學(xué)家可以了解動(dòng)物的早期歷史和它們的生活環(huán)境。

福尼爾說：“微生物的基因組中包含了動(dòng)物生命的影子歷史，我們可以用它來填補(bǔ)我們不僅對(duì)微生物，而且對(duì)動(dòng)物早期歷史的理解上的空白。

這篇論文的作者包括第一作者Danielle Gruen' 18博士和前博士后Joanna Wolfe，她現(xiàn)在是哈佛大學(xué)的研究科學(xué)家。

缺少化石

在沒有化石記錄的情況下，科學(xué)家們利用其他技術(shù)來排列“生命之樹”——細(xì)菌的遺傳關(guān)系圖，顯示了許多分支和分裂，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化成了幾十萬個(gè)物種?？茖W(xué)家通過分析和比較現(xiàn)有細(xì)菌的基因序列建立了這張地圖。

使用“分子鐘”方法，他們可以估計(jì)一些基因突變的可能速率，并計(jì)算兩個(gè)物種之間可能的分化時(shí)間。

“但這只能告訴你相對(duì)時(shí)間，這些估計(jì)存在很大的不確定性，”福尼爾說。"我們必須以某種方式將這棵樹固定在地質(zhì)記錄上，絕對(duì)的時(shí)間."

研究小組發(fā)現(xiàn)，他們可以利用完全不同生物的化石來錨定某些細(xì)菌群的進(jìn)化時(shí)間。雖然在大多數(shù)情況下，基因是代代相傳的，從父母到后代，每隔一段時(shí)間，一個(gè)基因就可以通過病毒或環(huán)境從一個(gè)生物體跳到另一個(gè)生物體，這就是所謂的水平基因轉(zhuǎn)移。因此，相同的基因序列可以出現(xiàn)在兩個(gè)生物體中，否則它們將有完全不同的遺傳歷史。

福尼爾和他的同事得出結(jié)論，如果他們能夠識(shí)別細(xì)菌和完全不同的生物之間的共同基因——一種有明確化石記錄的生物——他們可能能夠?qū)⒓?xì)菌的進(jìn)化固定在這個(gè)基因從化石中轉(zhuǎn)移出來的地方。-生物，對(duì)抗細(xì)菌。

劈開的樹

他們研究了成千上萬種生物的基因組序列，并確定了一種基因，幾丁質(zhì)酶，它出現(xiàn)在幾個(gè)主要的細(xì)菌群體中，以及大多數(shù)真菌物種中，這些真菌有完美的化石記錄。

然后，他們使用一種算法來生成所有不同物種的帶有幾丁質(zhì)酶基因的樹，根據(jù)物種的基因組突變來顯示物種之間的關(guān)系。接下來，他們使用分子時(shí)鐘方法來確定每種含有幾丁質(zhì)酶的細(xì)菌從其各自祖先分支的相對(duì)時(shí)間。他們對(duì)真菌重復(fù)了同樣的過程。

研究人員追蹤真菌中的幾丁質(zhì)酶，直到它與細(xì)菌中首次出現(xiàn)的基因最相似，并得出結(jié)論，當(dāng)真菌將基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌時(shí)，這是必要的。然后，他們利用真菌的化石記錄來確定轉(zhuǎn)移可能發(fā)生的時(shí)間。

他們發(fā)現(xiàn)該基因隨后被轉(zhuǎn)移到幾組細(xì)菌中，三種含有幾丁質(zhì)酶基因的土壤細(xì)菌在4.5億年至3.5億年前已經(jīng)多樣化。微生物多樣性的快速爆發(fā)可能是對(duì)陸地動(dòng)物相似多樣性的反應(yīng)，特別是產(chǎn)幾丁質(zhì)的節(jié)肢動(dòng)物，正如化石記錄顯示的那樣，它們是同時(shí)發(fā)生的。

福尼爾指出：“這一結(jié)果支持了(這一想法)，即一旦微生物種群在環(huán)境中可用，它將獲得使用資源的基因?！霸瓌t上，這種方法因此可以用于更多的微生物種群和使用其他資源的基因轉(zhuǎn)移。”

福尼爾現(xiàn)在正在開發(fā)一種自動(dòng)化管道，用于從大量基因數(shù)據(jù)中檢測(cè)細(xì)菌和其他生物之間有用的基因轉(zhuǎn)移。例如，他正在研究負(fù)責(zé)分解膠原蛋白的微生物基因，膠原蛋白是一種僅在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的化合物，存在于軟組織中。

福尼爾說：“如果我們?cè)谑秤煤熊浗M織的遺傳微生物方面有陰影歷史，我們可以重建軟組織的早期歷史，這在化石記錄中保存得并不好。

這項(xiàng)研究得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)和西蒙斯基金會(huì)的部分支持。

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