人們不得不猜測有多少果凍豆或大理石可以填充罐子的游戲永遠不應該使用藍細菌Prochlorococcus。根據(jù)一些估計，在一升水中可以找到多達1億個這種微小細菌的細胞。這些重要的生物體是海洋食物鏈的基礎，被認為是每年提供地球產(chǎn)生的約20%氧氣的原因。

雖然它被認為是單一物種，但這種單細胞生物可以分為幾種不同的主要生態(tài)型 - 以可變因素為特征，如季節(jié)，深度和地理模式。然而，即使在這些生態(tài)型中，Prochlorococcus細胞仍然顯示出廣泛的基因組多樣性。為了更多地了解這一級別的藍藻種群，麻省理工學院海洋微生物學家Sallie Chisholm是美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的長期合作者，他領導了一個團隊，將單細胞基因組學應用于從這些藍藻中收集的這些藍細菌。環(huán)境在一年中的三個不同時間。

正如2014年4月25日出版的“ 科學”報道，Chisholm，她的博士后研究員Nadav Kashtan以及他們在DOE JGI的合作者對百慕大 - 大西洋時間序列研究中收集的單細胞的Prochlorococcus基因組進行了測序和組裝。 2008年11月至2009年4月期間，他們在已知的生態(tài)型中發(fā)現(xiàn)了細胞簇，表明藍藻亞群的相對豐度隨著季節(jié)的變化而變化，這可能是對環(huán)境變化的反應。然后，他們以更精細的比例分析細胞，對來自選擇簇的部分基因組進行測序。

該小組想知道群內(nèi)的Prochlorococcus亞群是否在基因組上是不同的。答案結(jié)果是肯定的，這些所謂的“基因組骨架”中的每一個都由高度保守的核心基因等位基因或替代形式以及較小的不同靈活基因組成。“核心等位基因與靈活基因含量之間的這種共變及其精細的分辨率代表了野生原球菌內(nèi)微多樣性的一個新維度。人群，“該團隊在他們的研究中報道。“已經(jīng)在培養(yǎng)的分離物和宏基因組裝配中發(fā)現(xiàn)了類似的模式，這些模式在一些其他微生物物種的共存成員中具有非常不同的生態(tài)學，這表明分化的基因組骨架可能是不同類型微生物種群的特征。”

這些豐富的Prochlorococcus亞種群的廣泛多樣性在DOE JGI的Rex Malmstrom的幫助下得到了驗證。“我的貢獻是提供必要的控制數(shù)據(jù)，”他解釋道。“我們可以根據(jù)我們在單細胞基因組學方面的廣泛研發(fā)工作來做到這一點。”

Malmstrom說，Chisholm實驗室發(fā)現(xiàn)野生Prochlorococcus種群中細胞與細胞之間存在顯著的序列變異，但需要通過對照來了解單個Prochlorococcus細胞之間的差異部分是由于基因組擴增，測序和裝配過程。這可以通過使用相同的樣品分析管道分析許多已知的相同的單個細胞來確定。

“這是一件既困難又耗時的事情，但當我們測試單細胞程序的變化時，我們經(jīng)常在JGI做這件事，”他說。“因此，我查看了我們選擇的測試生物大腸桿菌的研發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一組經(jīng)過類似處理并具有與野生原球菌所用數(shù)據(jù)相似的序列質(zhì)量的數(shù)據(jù)。我們使用我們自己的裝配和分析程序估計相同大腸桿菌之間的差異比野生Prochlorococcus之間的差異低100倍。為了更好地衡量，Chisholm實驗室還通過他們用于Prochlorococcus的相同裝配和統(tǒng)計分析程序運行原始大腸桿菌序列數(shù)據(jù)。并發(fā)現(xiàn)相同的大腸桿菌之間的差異比野生Prochlorococcus的差異低100倍。這證實了他們在野生原球菌細胞中看到的差異的大小是迄今為止數(shù)據(jù)中最強的信號，技術工件很少。“

該小組指出，如果每個藍藻骨架亞群被計為不同的物種，那么Prochlorococcus由數(shù)千種物種組成。此外，他們補充說，這些群體中的每一個都可能有助于維持“ 全球海洋中的Prochlorococcus '集體'的動態(tài)穩(wěn)定性。”團隊得出結(jié)論，如此大量共存的具有不同基因組骨架的亞群可能是免費的特征。 - 在高度混合的棲息地中擁有大量種群的活細菌。

“令人欣慰在這個項目的一部分，與JGI的工作，因為這是在原綠球藻基因組學的故事開始大約15年前，”奇澤姆說。“他們對從我們從不同海洋中分離出來的兩種菌株的基因組進行了測序，讓我們第一次看到這一群體的多樣性。同樣，JGI目前收集的許多Prochlorococcus基因組在我們最近的工作中是一個非常寶貴的資源。這些“參考基因組”是解開我們在野生種群基因組中看到的模式奧秘的關鍵。“