新技术决定细菌进化的里程碑

细菌已经进化到可以生活在地球上的每一个栖息地。但与可以作为化石保存下来的植物和动物不同，细菌几乎没有遗传进化的物理证据，这使得科学家很难准确确定不同细菌类群的进化时间。

麻省理工学院的科学家设计了一种可靠的方法来确定某些细菌群体何时出现在进化记录中。这项技术可以用来识别细菌进化过程中何时发生重大变化，并揭示导致这些变化的原始环境的细节。

在1月28日在线发表在《BMC进化生物学杂志》上的一篇论文中，研究人员报告说，他们利用这一技术确定，在大约4.5亿至3.5亿年前的古生代期间，几个主要的土壤细菌类群从真菌中获得了一种特定的基因。这使他们能够分解几丁质——真菌细胞壁和节肢动物外骨骼中的一种纤维物质——并利用其产物生长。

这种细菌的进化适应可能是由环境的重大变化驱动的。大约在同一时间，早期的节肢动物如蜘蛛、昆虫和蜈蚣正从海洋迁移到陆地上。随着这些陆地节肢动物的扩散和多样化，它们留下了几丁质，创造了更丰富的土壤环境，并为细菌提供了新的机会，特别是那些获得了几丁质酶基因的细菌。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系Cecil和Ida Green的地球生物学助理教授Gregory Fournier说，“在此之前，你会有土壤，但它可能看起来像南极洲的干燥山谷。”“动物首次生活在土壤中，这为微生物利用和多样化提供了新的机会。”

Fournier说，通过跟踪细菌中的一些基因如几丁质酶，科学家可以了解一些动物的早期历史及其生活环境。

“微生物在其基因组中包含了动物生命的影子历史，我们可以利用它来填补我们不仅对微生物，而且对动物早期历史的理解的空白，”Fournier说。

这篇论文的作者包括第一作者Danielle Gruen' 18博士和前博士后Joanna Wolfe，她现在是哈佛大学的研究科学家。

缺乏化石

在没有化石记录的情况下，科学家使用其他技术来布局“生命树”——细菌的基因图，显示了许多分支和分裂，因为细菌随着时间的推移已经进化成了数十万个物种。科学家通过分析和比较现有细菌的基因序列，建立了这样一个图谱。

使用“分子钟”方法，他们可以估计一些基因突变可能发生的速率，并计算两个物种可能分化的时间。

“但这只能告诉你相对时间，这些估计存在很大的不确定性，”Fournier说。"我们必须以某种方式，绝对及时地将这棵树固定在地质记录上."

该团队发现，他们可以使用来自完全不同生物的化石来锚定某些细菌群体的进化时间。虽然在绝大多数情况下，基因是代代相传的，是父母传给后代的。每隔一段时间，一个基因可以通过病毒或环境从一个生物体跳到另一个生物体。这个过程被称为水平基因转移。因此，相同的基因序列可以出现在两个生物中，否则它们将具有完全不同的遗传历史。

尼尔和他的同事们推断，如果他们能够识别细菌和完全不同的生物体之间的共同基因——一种有明确化石记录的生物体——他们可能能够将细菌的进化固定在这种基因从化石转移过来的地方。-有机体，对细菌来说。

劈开树木

他们检查了数千种生物的基因组序列，并确定了一种基因，几丁质酶，它出现在几个主要的细菌群以及大多数真菌物种中，具有完整的化石记录。

然后，他们使用一种算法生成带有几丁质酶基因的所有不同物种的树，根据它们的基因组突变显示物种之间的关系。接下来，他们使用分子钟方法来确定每个含几丁质酶的细菌从各自祖先分支的相对时间。他们对真菌重复了同样的过程。

研究人员追踪真菌中的几丁质酶，直到它与细菌中首次出现的基因最相似，并得出结论，当真菌将基因转移到细菌时，这是必要的。然后，他们使用真菌的化石记录来确定转移可能发生的时间。

他们发现，该基因随后被转移到几组细菌中，三种含有几丁质酶基因的土壤细菌在4.5亿至3.5亿年前已经多样化。微生物多样性的快速爆发可能是对陆地动物类似多样性的反应，特别是产生几丁质的节肢动物，这是同时发生的，正如化石记录所示。

“这一结果支持了[这一想法]，即一旦环境中有了微生物群，它们就会获得利用资源的基因，”Fournier指出。“原则上，这种方法因此可以用于更多的微生物群体，利用其他资源进行其他基因转移。”

NIER现在正在开发一种自动化管道，用于从大量遗传数据中检测细菌和其他生物之间的有用基因转移。例如，他正在研究负责分解胶原蛋白的微生物基因，胶原蛋白是一种仅在动物体内产生的化合物，存在于软体组织中。

“如果我们有食用含有软体组织的遗传微生物的影子历史，我们可以重建软组织的早期历史，这在化石记录中没有得到很好的保存，”Fournier说。

这项研究得到了国家科学基金会和西蒙斯基金会的部分支持。

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