細菌已經(jīng)進化出各種適應性生活在地球上的每個棲息地。但與可以保存為化石的植物和動物不同，細菌幾乎沒有遺傳進化的物理證據(jù)，這使得科學家很難準確確定不同細菌群體的進化時間。麻省理工學院的科學家們已經(jīng)設計出一種可靠的方法來確定某些細菌群何時出現(xiàn)在進化記錄中。該技術(shù)可用于識別細菌進化過程中何時發(fā)生重大變化，并揭示導致這些變化的原始環(huán)境的細節(jié)。

在1月28日在線發(fā)表在BMC進化生物學雜志上的一篇論文中，研究人員報告使用該技術(shù)確定，在古生代時期，大約4.5億至3.5億年前，幾種主要的土壤細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) - 一種在真菌細胞壁和節(jié)肢動物的外骨骼中發(fā)現(xiàn)的纖維物質(zhì) - 并利用其產(chǎn)品生長。

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

麻省理工學院地球，大氣和行星科學系的Cecil和Ida Green地球生物學助理教授Gregory Fournier說：“在此之前，你會有土壤，但它可能看起來像南極洲的干燥山谷。” “動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會。”

Fournier說，通過追蹤細菌中的幾丁質(zhì)酶等某些基因，科學家們可以對動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物生命的陰影歷史，我們可以用它來填補我們不僅對微生物，而且對動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)在是哈佛大學的研究科學家。

缺少化石

沒有化??石記錄，科學家們已經(jīng)使用其他技術(shù)來布置細菌的“生命之樹” - 遺傳關系圖，顯示出許多分支和分裂，因為細菌隨著時間的推移已經(jīng)演變成數(shù)十萬種。科學家通過分析和比較現(xiàn)有細菌的基因序列建立了這樣的地圖。

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

“但這只能告訴你相對時間，并且這些估計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，絕對時間。”

該團隊發(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菌群進化的時間。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，每隔一段時間，一個基因就可以通過病毒或通過環(huán)境從一個生物體跳到另一個生物體，這個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菌和完全不同的生物體之間的共同基因 - 一個具有明確化石記錄的生物 - 他們可能能夠?qū)⒓毦倪M化固定到這個基因從化石過時轉(zhuǎn)移的位置。有機體，對細菌。

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)在幾個主要細菌群體中，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)酶的細菌從其各自祖先分支的相對時間。他們對真菌重復了同樣的過程。

研究人員將真菌中的幾丁質(zhì)酶追蹤到它最初出現(xiàn)在細菌中時與該基因最相似的點，并推斷當真菌將基因轉(zhuǎn)移到細菌時就必須如此。然后，他們使用真菌的化石記錄來確定轉(zhuǎn)移可能發(fā)生的時間。

他們發(fā)現(xiàn)，隨后將該基因轉(zhuǎn)移到幾組細菌中，含有幾丁質(zhì)酶基因的三大類土壤細菌在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)可能是對陸地動物的類似多樣化的反應，特別是產(chǎn)生幾丁質(zhì)的節(jié)肢動物，這種情況發(fā)生在同一時期，正如化石記錄顯示的那樣。

“這個結(jié)果支持[這個想法]微生物群體一旦在環(huán)境中可用就會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)一種自動化管道，用于從大量基因數(shù)據(jù)中檢測細菌和其他生物之間有用的基因轉(zhuǎn)移。例如，他正在研究負責分解膠原蛋白的微生物基因，膠原蛋白是一種僅在動物身上產(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。