新技术决定细菌进化的里程碑

细菌已经进化出各种各样的适应能力来适应地球上的每一个栖息地。但与可以作为化石保存的动植物不同，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种群的进化时间。

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何时出现在进化记录中。这项技术可用于识别细菌进化过程中何时发生了重大变化，并揭示导致这些变化的原始环境的细节。

在1月28日《BMC进化生物学》(BMC Evolutionary Biology)在线发表的一篇论文中，研究人员报告称，利用这一技术，确定在大约4.5亿至3.5亿年前的古生代时期，几个主要的土壤细菌群从真菌中获得了一个特定的基因。这使它们能够分解几丁质，一种在真菌细胞壁和节肢动物外骨骼中发现的纤维物质，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。大约在同一时期，早期的节肢动物如蜘蛛、昆虫和蜈蚣正从海洋迁移到陆地。随着这些陆生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，尤其是那些具有几丁质酶基因的细菌。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系塞西尔和艾达格林的地球生物学助理教授格雷戈里福尼尔说，“在此之前，你会有土壤，但它可能看起来像南极洲的一个干燥的山谷。”“动物第一次生活在土壤中，这为微生物利用和多样化提供了新的机会。”

Fournier说，通过追踪细菌中的几丁质酶等一些基因，科学家可以了解动物的早期历史和它们的生活环境。

福尼尔说：“微生物的基因组中包含了动物生命的影子历史，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上的空白。

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排列“生命之树”——细菌的遗传关系图，显示了许多分支和分裂，因为随着时间的推移，细菌已经进化成了几十万个物种。科学家通过分析和比较现有细菌的基因序列建立了这张地图。

使用“分子钟”方法，他们可以估计一些基因突变的可能速率，并计算两个物种之间可能的分化时间。

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

研究小组发现，他们可以利用完全不同生物的化石来锚定某些细菌群的进化时间。虽然在大多数情况下，基因是代代相传的，从父母到后代，每隔一段时间，一个基因就可以通过病毒或环境从一个生物体跳到另一个生物体，这就是所谓的水平基因转移。因此，相同的基因序列可以出现在两个生物体中，否则它们将有完全不同的遗传历史。

福尼尔和他的同事得出结论，如果他们能够识别细菌和完全不同的生物之间的共同基因——一种有明确化石记录的生物——他们可能能够将细菌的进化固定在这个基因从化石中转移出来的地方。-生物，对抗细菌。

劈开的树

他们研究了成千上万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体中，以及大多数真菌物种中，这些真菌有完美的化石记录。

然后，他们使用一种算法来生成所有不同物种的带有几丁质酶基因的树，根据物种的基因组突变来显示物种之间的关系。接下来，他们使用分子时钟方法来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，他们利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4.5亿年至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相似多样性的反应，特别是产几丁质的节肢动物，正如化石记录显示的那样，它们是同时发生的。

福尼尔指出：“这一结果支持了(这一想法)，即一旦微生物种群在环境中可用，它将获得使用资源的基因。“原则上，这种方法因此可以用于更多的微生物种群和使用其他资源的基因转移。”

福尼尔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体内产生的化合物，存在于软组织中。

福尼尔说：“如果我们在食用含有软组织的遗传微生物方面有阴影历史，我们可以重建软组织的早期历史，这在化石记录中保存得并不好。

这项研究得到了美国国家科学基金会和西蒙斯基金会的部分支持。

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