准基因转移驱动的温泉细菌遗传多样性

包括卡内基的德瓦基巴亚(Devaki Bhaya)和米歇尔戴维森(Michelle Davison)在内的团队的新工作，对黄石国家公园温泉中生长的细菌种群进行了大规模的DNA测序，以确定其遗传多样性，并探索潜在的进化动力学。他们在微小的绿色光合蓝细菌——聚球藻(Synechococcus)中发现了一种意想不到的高度共享和交换的遗传物质，这种细菌在这些被烫伤的恶劣环境中非常丰富。

研究小组发现，同一物种不同个体之间基因组组织的差异模式表明，细菌会来回转移DNA，包括整个基因。这种交换或“重组”允许遗传变异在群体中迅速传播。他们的研究成果发表在《科学》杂志上。

与实验室研究和临床工作中精心管理的细菌克隆相反，自然存在的细菌群体中存在大量小规模的遗传多样性。自然环境中的细菌种群代表着随时间变化的动态遗传资源，但这种多样性的量化及其动态的确切机制仍然难以捉摸。

“生物学家长期以来一直对确定促进细菌群落群体遗传学的进化和生态力量感兴趣，”Bhaya解释说。

研究团队还包括第一作者迈克尔罗森和斯坦福大学应用物理系的丹尼尔费舍尔。他们开始结合所谓的“深度测序”(非常详细和广泛的DNA测序)的力量来研究这个问题，这种测序具有强大的统计分析能力。

考虑了几种可能的情况。例如，一种理论预测，细菌种群在遗传上是多样的，因为它们在很小的地方水平上适应周围的条件，导致不同的子种群的建立，这些子种群被称为生态型。

另一种可能是，细菌基因的所有多样性都是“中性”的——特定版本的基因不会使生物体或多或少地适应其环境。细菌通过无性分裂繁殖，这意味着每一代新细菌都会被其唯一父母的遗传物质的几乎完整的拷贝所困。遗传变化可以通过生物之间的突变或DNA片段转移来发生。

利用对大量“DNA深度测序”数据的复杂统计分析，该团队能够追踪塑造这些天然聚盖尔群体的进化力量。他们发现中性漂移模型和不同生态类型的微生态概念与数据不符。

相反，人口占据广泛的生态位，包括一系列环境条件。生物之间的遗传物质的频繁交换创造了多样性。这种情况显然经常发生，以至于与人类这样的生物相比，种群可以被视为“准有性的”，人类有性生殖的过程，特别是受精，结合了来自双亲的基因。

在有性生殖中，新的基因组合是规则。虽然细菌种群通常不是这样，但对于这些特定的温泉细菌来说，新的组合是规律，而不是例外。因为DNA在个体之间移动，新一代人将不仅依赖父母基因的拷贝。由于这种程度的变异，自然选择在单个基因的水平上起作用，而不是整个基因组。脱氧核糖核酸转移发生得如此之多，以至于细菌可以有各种各样的基因组合和遗传变异。

Bhaya指出：“如果没有深入的测序和仔细的分析，我们就无法检测和识别工作中的力量，弄清楚这些见解是否可以扩展到其他微生物群落将是令人兴奋的。“从深海喷口到人类肠道或与植物根部相关的地方，微生物多样性随处可见。利用单细胞测序、蛋白质组学和显微镜等方法，我们可以以高精度和深度探索这个重要的隐形世界。”

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