新技术确定了细菌进化中的里程碑

细菌已经进化出各种适应性生活在地球上的每个栖息地。但与可以保存为化石的植物和动物不同，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群体的进化时间。

麻省理工学院的科学家们已经设计出一种可靠的方法来确定某些细菌群何时出现在进化记录中。该技术可用于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，研究人员报告使用该技术确定，在古生代时期，大约4.5亿至3.5亿年前，几种主要的土壤细菌群从真菌中获得了一种特定的基因。这使得它们能够分解几丁质 - 一种在真菌的细胞壁和节肢动物的外骨骼中发现的纤维物质 - 并利用其产品生长。

这种细菌的进化适应可能是由环境的重大转变所驱动的。大约在同一时间，早期蜘蛛，昆虫和蜈蚣等节肢动物正从海洋移动到陆地上。随着这些陆生节肢动物的传播和多样化，它们留下几丁质，创造了更丰富的土壤环境，并为细菌 - 特别是那些获得几丁质酶基因的细菌 - 提供了新的机会。

麻省理工学院地球，大气和行星科学系的Cecil和Ida Green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。”“动物第一次生活在土壤中，这为微生物提供了利用和多样化的新机会。”

Fournier说，通过追踪细菌中的几丁质酶等某些基因，科学家们可以对动物的早期历史及其生活环境有所了解。

“微生物在他们的基因组中包含动物生命的阴影历史，我们可以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中的空白，”Fournier说。

该论文的作者包括主要作者Danielle Gruen博士'18，以及前博士后Joanna Wolfe，他现在是哈佛大学的研究科学家。

缺少化石

在没有化石记录的情况下，科学家们利用其他技术来布置细菌的“生命之树” - 遗传关系图，显示出许多分支和分裂，因为细菌随着时间的推移已经演变成数十万种。科学家通过分析和比较现有细菌的基因序列建立了这样的地图。

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

“但这只能告诉你相对时间，并且这些估计值存在很大的不确定性，”Fournier说。“我们必须以某种方式将这棵树锚定在地质记录上，绝对时间。”

该团队发现他们可以使用来自完全不同的生物体的化石来锚定某些细菌群进化的时间。虽然在绝大多数情况下，基因通过世代传承，从父母到后代，每隔一段时间，一个基因就可以通过病毒或通过环境从一个生物体跳到另一个生物体，这个过程称为水平基因转移。因此，相同的基因序列可以出现在两种生物中，否则它们将具有完全不同的遗传历史。

Fournier和他的同事推断，如果他们能够识别出细菌和完全不同的生物之间的共同基因 - 一个具有明确化石记录的生物 - 他们可能能够将细菌的进化固定到这个基因从化石转移到的地方。 - 有机体，对细菌。

分裂的树木

他们查看了数千种生物的基因组序列，并鉴定了一种基因，几丁质酶，它出现在几个主要细菌群体中，以及大多数真菌种类中，这些真菌具有完善的化石记录。

然后，他们使用算法用几丁质酶基因产生所有不同物种的树，显示基于其基因组突变的物种之间的关系。接下来，他们采用分子钟方法确定每种含有几丁质酶的细菌从其各自祖先分支的相对时间。他们对真菌重复了同样的过程。

研究人员将真菌中的几丁质酶追踪到它最初出现在细菌中时与该基因最相似的点，并推断当真菌将基因转移到细菌时就必须如此。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，随后将该基因转移到几组细菌中，含有几丁质酶基因的三大类土壤细菌在4.5亿至3.5亿年前就已多样化。微生物多样性的快速爆发可能是对陆地动物的类似多样化的反应，特别是产生几丁质的节肢动物，这种情况发生在同一时期，正如化石记录显示的那样。

“这个结果支持[这个想法]微生物群体一旦在环境中可用就会获得使用资源的基因，”Fournier指出。“原则上，这种方法因此可以用于更多的微生物群体，使用其他使用其他资源的基因的转移。”

Fournier现在正在开发一种自动化管道，用于从大量基因数据中检测细菌和其他生物之间有用的基因转移。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身上产生的化合物，存在于柔软的身体组织中。

“如果我们在吃含有柔软身体组织的基因微生物中有影子史，我们就可以重建软体组织的早期历史，这在化石记录中并不能很好地保存，”Fournier说。

这项研究部分得到了美国国家科学基金会和西蒙斯基金会的支持。