細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出各種適應(yīng)性生活在地球上的每個(gè)棲息地。但與可以保存為化石的植物和動(dòng)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)菌群體的進(jìn)化時(shí)間。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出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。該技術(shù)可用于識別細(xì)菌進(jìn)化過程中何時(shí)發(fā)生重大變化，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日在線發(fā)表在BMC進(jìn)化生物學(xué)雜志上的一篇論文中，研究人員報(bào)告使用該技術(shù)確定，在古生代時(shí)期，大約4.5億至3.5億年前，幾種主要的土壤細(xì)菌群從真菌中獲得了一種特定的基因。這使得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)物的外骨骼中發(fā)現(xiàn)的纖維物質(zhì) - 并利用其產(chǎn)品生長。

這種細(xì)菌的進(jìn)化適應(yīng)可能是由環(huán)境的重大轉(zhuǎn)變所驅(qū)動(dòng)的。大約在同一時(shí)間，早期蜘蛛，昆蟲和蜈蚣等節(jié)肢動(dòng)物正從海洋移動(dòng)到陸地上。隨著這些陸生節(jié)肢動(dòng)物的傳播和多樣化，它們留下幾丁質(zhì)，創(chuàng)造了更豐富的土壤環(huán)境，并為細(xì)菌 - 特別是那些獲得幾丁質(zhì)酶基因的細(xì)菌 - 提供了新的機(jī)會(huì)。

麻省理工學(xué)院地球，大氣和行星科學(xué)系的Cecil和Ida Green地球生物學(xué)助理教授Gregory Fournier說：“在此之前，你會(huì)有土壤，但它可能看起來像南極洲的干燥山谷。” “動(dòng)物第一次生活在土壤中，這為微生物提供了利用和多樣化的新機(jī)會(huì)。”

Fournier說，通過追蹤細(xì)菌中的幾丁質(zhì)酶等某些基因，科學(xué)家們可以對動(dòng)物的早期歷史及其生活環(huán)境有所了解。

“微生物在他們的基因組中包含動(dòng)物生命的陰影歷史，我們可以用它來填補(bǔ)我們不僅對微生物，而且對動(dòng)物早期歷史的理解中的空白，”Fournier說。

該論文的作者包括主要作者Danielle Gruen博士。'18，和前博士后喬安娜沃爾夫，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)的研究科學(xué)家。

缺少化石

沒有化??石記錄，科學(xué)家們已經(jīng)使用其他技術(shù)來布置細(xì)菌的“生命之樹” - 遺傳關(guān)系圖，顯示出許多分支和分裂，因?yàn)榧?xì)菌隨著時(shí)間的推移已經(jīng)演變成數(shù)十萬種?？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樣的地圖。

使用“分子鐘”方法，他們可以估計(jì)某些基因突變可能發(fā)生的速率，并計(jì)算兩個(gè)物種可能發(fā)生分化的時(shí)間。

“但這只能告訴你相對時(shí)間，并且這些估計(jì)值存在很大的不確定性，”Fournier說。“我們必須以某種方式將這棵樹錨定在地質(zhì)記錄上，絕對時(shí)間。”

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以使用來自完全不同的生物體的化石來錨定某些細(xì)菌群進(jìn)化的時(shí)間。雖然在絕大多數(shù)情況下，基因通過世代傳承，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通過環(huán)境從一個(gè)生物體跳到另一個(gè)生物體，這個(gè)過程稱為水平基因轉(zhuǎn)移。因此，相同的基因序列可以出現(xiàn)在兩種生物中，否則它們將具有完全不同的遺傳歷史。

Fournier和他的同事們推斷，如果他們能夠識別出細(xì)菌和完全不同的生物體之間的共同基因 - 一個(gè)具有明確化石記錄的生物 - 他們可能能夠?qū)⒓?xì)菌的進(jìn)化固定到這個(gè)基因從化石過時(shí)轉(zhuǎn)移的位置。有機(jī)體，對細(xì)菌。

分裂的樹木

他們查看了數(shù)千種生物的基因組序列，并鑒定了一種基因，幾丁質(zhì)酶，它出現(xiàn)在幾個(gè)主要細(xì)菌群體中，以及大多數(shù)真菌種類中，這些真菌具有完善的化石記錄。

然后，他們使用算法用幾丁質(zhì)酶基因產(chǎn)生所有不同物種的樹，顯示基于其基因組突變的物種之間的關(guān)系。接下來，他們采用分子鐘方法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時(shí)間。他們對真菌重復(fù)了同樣的過程。

研究人員將真菌中的幾丁質(zhì)酶追蹤到它最初出現(xiàn)在細(xì)菌中時(shí)與該基因最相似的點(diǎn)，并推斷當(dāng)真菌將基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌時(shí)就必須如此。然后，他們使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)，隨后將該基因轉(zhuǎn)移到幾組細(xì)菌中，含有幾丁質(zhì)酶基因的三大類土壤細(xì)菌在4.5億至3.5億年前就已多樣化。微生物多樣性的快速爆發(fā)可能是對陸地動(dòng)物的類似多樣化的反應(yīng)，特別是產(chǎn)生幾丁質(zhì)的節(jié)肢動(dòng)物，這種情況發(fā)生在同一時(shí)期，正如化石記錄顯示的那樣。

“這個(gè)結(jié)果支持[這個(gè)想法]微生物群體一旦在環(huán)境中可用就會(huì)獲得使用資源的基因，”Fournier指出。“原則上，這種方法因此可以用于更多的微生物群體，使用其他使用其他資源的基因的轉(zhuǎn)移。”

Fournier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)物身上產(chǎn)生的化合物，存在于柔軟的身體組織中。

“如果我們在吃含有柔軟身體組織的基因微生物中有影子史，我們就可以重建軟體組織的早期歷史，這在化石記錄中并不能很好地保存，”Fournier說。