準性基因轉移驅動溫泉細菌的遺傳多樣性



包括卡內基的Devaki Bhaya和Michelle Davison在內的團隊的新工作對黃石國家公園溫泉中生長的細菌種群進行了大規模的DNA測序,以確定其遺傳多樣性并探索潛在的進化動力學。他們在微小的綠色光合藍藻聚球藻(Synechococcus)之間發現了一種意想不到的高度共享和交換遺傳物質,這些物質在這些燙傷,惡劣的環境中很豐富。

準性基因轉移驅動溫泉細菌的遺傳多樣性

該團隊發現,同一物種的不同個體之間基因組組織差異的模式表明細菌來回轉移DNA,包括整個基因。這種交換或“重組”允許基因變異在群體中快速傳播。他們的研究結果由科學出版。

在天然存在的細菌群體中存在大量小規模遺傳多樣性 - 與用于實驗室研究和臨床工作的精心管理的細菌克隆相反。自然環境中的細菌種群代表了隨時間變化的動態遺傳資源,但這種多樣性的量化以及產生其動態的確切機制仍然難以捉摸。

“生物學家長期以來一直對確定推動細菌群落群體遺傳學的進化和生態力量感興趣,”Bhaya解釋說。

研究小組還包括主要作者Michael Rosen以及斯坦福大學應用物理系的Daniel Fisher,他們開始通過結合所謂的“深度測序”的力量來研究這個問題(非常詳細和廣泛) DNA序列測定)具有強大的統計分析。

考慮了幾種可能的情況。例如,一種理論預測細菌種群在遺傳上是多樣的,因為它們在非常小規模的局部水平上適應其周圍條件,導致建立不同的亞種群,稱為生態型。

另一種可能性是細菌基因的所有多樣性都是“中性的” - 基因的特定版本不會使生物體或多或少地適應其環境。細菌通過無性分裂繁殖,這意味著每個新一代都會被其唯一親本遺傳物質的幾乎完全復制品所困。遺傳變化可以通過突變或在各個生物之間轉移DNA片段而發生。

利用對大量“DNA深度測序”數據的復雜統計分析,該團隊能夠追蹤塑造這些天然聚球藻群體的進化力量。他們發現,中性漂移的模型,以及不同生態型的微生態概念都不符合數據。

Rather, the population occupies a broad niche that includes a range of environmental conditions. Diversity is created by frequent swapping of genetic material between organisms. This apparently happens often enough that the population can be viewed as "quasi-sexual" in comparison to organisms like humans, where the process of sexual reproduction, specifically fertilization, combines genes from two parents.

在有性生殖中,基因的新組合是規則。雖然對于細菌種群來說通常不是這樣,但對于這些特定的溫泉細菌,新的組合也是規則,而不是例外。由于DNA在個體之間移動,新一代不會僅僅依賴其親本基因的拷貝。由于這種程度的變異,自然選擇作用于單個基因的水平,而不是整個基因組。DNA的轉移發生得如此之多,以至于細菌可以擁有基因和基因變異的各種不同組合。

“如果沒有深入的測序和仔細的分析,我們就無法檢測和識別工作中的力量,并且發現這些見解是否擴展到其他微生物群落將是令人興奮的,”Bhaya指出。“從深海通風口到人類腸道或與植物根系相關,微生物多樣性隨處可見。使用單細胞測序,蛋白質組學和顯微鏡等方法,可以高精度和深度地探索這個看不見的重要世界。”

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