新技術(shù)決定細菌進化的里程碑

細菌已經(jīng)進化出各種各樣的適應能力來適應地球上的每一個棲息地。但與可以作為化石保存的動植物不同，細菌幾乎沒有遺傳進化的物理證據(jù)，這使得科學家很難準確確定不同細菌種群的進化時間。

麻省理工學院的科學家設計了一種可靠的方法來確定某些細菌群何時出現(xiàn)在進化記錄中。這項技術(shù)可用于識別細菌進化過程中何時發(fā)生了重大變化，并揭示導致這些變化的原始環(huán)境的細節(jié)。

在1月28日《BMC進化生物學》(BMC Evolutionary Biology)在線發(fā)表的一篇論文中，研究人員報告稱，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期，幾個主要的土壤細菌群從真菌中獲得了一個特定的基因。這使它們能夠分解幾丁質(zhì)，一種在真菌細胞壁和節(jié)肢動物外骨骼中發(fā)現(xiàn)的纖維物質(zhì)，并利用其產(chǎn)物生長。

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

麻省理工學院地球、大氣和行星科學系塞西爾和艾達格林的地球生物學助理教授格雷戈里福尼爾說，“在此之前，你會有土壤，但它可能看起來像南極洲的一個干燥的山谷?！薄皠游锏谝淮紊钤谕寥乐?，這為微生物利用和多樣化提供了新的機會?！?

Fournier說，通過追蹤細菌中的幾丁質(zhì)酶等一些基因，科學家可以了解動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物生命的影子歷史，我們可以用它來填補我們不僅對微生物，而且對動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)在是哈佛大學的研究科學家。

缺少化石

在沒有化石記錄的情況下，科學家們利用其他技術(shù)來排列“生命之樹”——細菌的遺傳關系圖，顯示了許多分支和分裂，因為隨著時間的推移，細菌已經(jīng)進化成了幾十萬個物種?？茖W家通過分析和比較現(xiàn)有細菌的基因序列建立了這張地圖。

使用“分子鐘”方法，他們可以估計一些基因突變的可能速率，并計算兩個物種之間可能的分化時間。

“但這只能告訴你相對時間，這些估計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，絕對的時間."

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菌群的進化時間。雖然在大多數(shù)情況下，基因是代代相傳的，從父母到后代，每隔一段時間，一個基因就可以通過病毒或環(huán)境從一個生物體跳到另一個生物體，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，如果他們能夠識別細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毦倪M化固定在這個基因從化石中轉(zhuǎn)移出來的地方。-生物，對抗細菌。

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)在幾個主要的細菌群體中，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系。接下來，他們使用分子時鐘方法來確定每種含有幾丁質(zhì)酶的細菌從其各自祖先分支的相對時間。他們對真菌重復了同樣的過程。

研究人員追蹤真菌中的幾丁質(zhì)酶，直到它與細菌中首次出現(xiàn)的基因最相似，并得出結(jié)論，當真菌將基因轉(zhuǎn)移到細菌時，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)生的時間。

他們發(fā)現(xiàn)該基因隨后被轉(zhuǎn)移到幾組細菌中，三種含有幾丁質(zhì)酶基因的土壤細菌在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)可能是對陸地動物相似多樣性的反應，特別是產(chǎn)幾丁質(zhì)的節(jié)肢動物，正如化石記錄顯示的那樣，它們是同時發(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。“原則上，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)一種自動化管道，用于從大量基因數(shù)據(jù)中檢測細菌和其他生物之間有用的基因轉(zhuǎn)移。例如，他正在研究負責分解膠原蛋白的微生物基因，膠原蛋白是一種僅在動物體內(nèi)產(chǎn)生的化合物，存在于軟組織中。

福尼爾說：“如果我們在食用含有軟組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。

這項研究得到了美國國家科學基金會和西蒙斯基金會的部分支持。

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