包括卡內(nèi)基的德瓦基巴亞(Devaki Bhaya)和米歇爾戴維森(Michelle Davison)在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)的新工作，對黃石國家公園溫泉中生長的細(xì)菌種群進(jìn)行了大規(guī)模的DNA測序，以確定其遺傳多樣性，并探索潛在的進(jìn)化動力學(xué)。他們在微小的綠色光合藍(lán)細(xì)菌——聚球藻(Synechococcus)中發(fā)現(xiàn)了一種意想不到的高度共享和交換的遺傳物質(zhì)，這種細(xì)菌在這些被燙傷的惡劣環(huán)境中非常豐富。
研究小組發(fā)現(xiàn)，同一物種不同個(gè)體之間基因組組織的差異模式表明，細(xì)菌會來回轉(zhuǎn)移DNA，包括整個(gè)基因。這種交換或“重組”允許遺傳變異在群體中迅速傳播。他們的研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
與實(shí)驗(yàn)室研究和臨床工作中精心管理的細(xì)菌克隆相反，自然存在的細(xì)菌群體中存在大量小規(guī)模的遺傳多樣性。自然環(huán)境中的細(xì)菌種群代表著隨時(shí)間變化的動態(tài)遺傳資源，但這種多樣性的量化及其動態(tài)的確切機(jī)制仍然難以捉摸。
“生物學(xué)家長期以來一直對確定促進(jìn)細(xì)菌群落群體遺傳學(xué)的進(jìn)化和生態(tài)力量感興趣，”Bhaya解釋說。
研究團(tuán)隊(duì)還包括第一作者邁克爾羅森和斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系的丹尼爾費(fèi)舍爾。他們開始結(jié)合所謂的“深度測序”(非常詳細(xì)和廣泛的DNA測序)的力量來研究這個(gè)問題，這種測序具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析能力。
考慮了幾種可能的情況。例如，一種理論預(yù)測，細(xì)菌種群在遺傳上是多樣的，因?yàn)樗鼈冊诤苄〉牡胤剿缴线m應(yīng)周圍的條件，導(dǎo)致不同的子種群的建立，這些子種群被稱為生態(tài)型。
另一種可能是，細(xì)菌基因的所有多樣性都是“中性”的——特定版本的基因不會使生物體或多或少地適應(yīng)其環(huán)境。細(xì)菌通過無性分裂繁殖，這意味著每一代新細(xì)菌都會被其唯一父母的遺傳物質(zhì)的幾乎完整的拷貝所困。遺傳變化可以通過生物之間的突變或DNA片段轉(zhuǎn)移來發(fā)生。
利用對大量“DNA深度測序”數(shù)據(jù)的復(fù)雜統(tǒng)計(jì)分析，該團(tuán)隊(duì)能夠追蹤塑造這些天然聚蓋爾群體的進(jìn)化力量。他們發(fā)現(xiàn)中性漂移模型和不同生態(tài)類型的微生態(tài)概念與數(shù)據(jù)不符。
相反，人口占據(jù)廣泛的生態(tài)位，包括一系列環(huán)境條件。生物之間的遺傳物質(zhì)的頻繁交換創(chuàng)造了多樣性。這種情況顯然經(jīng)常發(fā)生，以至于與人類這樣的生物相比，種群可以被視為“準(zhǔn)有性的”，人類有性生殖的過程，特別是受精，結(jié)合了來自雙親的基因。
在有性生殖中，新的基因組合是規(guī)則。雖然細(xì)菌種群通常不是這樣，但對于這些特定的溫泉細(xì)菌來說，新的組合是規(guī)律，而不是例外。因?yàn)镈NA在個(gè)體之間移動，新一代人將不僅依賴父母基因的拷貝。由于這種程度的變異，自然選擇在單個(gè)基因的水平上起作用，而不是整個(gè)基因組。脫氧核糖核酸轉(zhuǎn)移發(fā)生得如此之多，以至于細(xì)菌可以有各種各樣的基因組合和遺傳變異。
Bhaya指出：“如果沒有深入的測序和仔細(xì)的分析，我們就無法檢測和識別工作中的力量，弄清楚這些見解是否可以擴(kuò)展到其他微生物群落將是令人興奮的?！皬纳詈娍诘饺祟惸c道或與植物根部相關(guān)的地方，微生物多樣性隨處可見。利用單細(xì)胞測序、蛋白質(zhì)組學(xué)和顯微鏡等方法，我們可以以高精度和深度探索這個(gè)重要的隱形世界。”
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