聚球藻属蓝细菌的物种多样性分析

聚球藻属蓝细菌(cyanobacteria Synechococcus)生活在美国黄石国家公园的温泉中。日前,斯坦福大学的科学家们对这种细菌的天然种群进行了大规模测序,分析了其中的遗传多样性,揭示了这种多样性的形成机制,研究发表在5月28日的Science杂志上。研究人员发现,这些细菌存在高水平的遗产物质分享和交换,就像一个流动的基因池。细菌个体反复交换或“重组”DNA片段(包括整个基因),使基因变异能够快速在种群中扩散。

蓝细菌聚球藻属

蓝细菌聚球藻属

自然界中的细菌种群有着极大的遗传多样性,会随着时间推移而发生变化。不过人们还不清楚造成这种多样性的确切机制。“生物学家们一直希望了解推动细菌种群遗传多样性的进化和生态动力,”文章的作者Devaki Bhaya解释道。Bhaya等人将深度测序与统计学分析结合起来,希望能够解决这个问题。

此前科学家们提出过许多理论。举例来说,有一种理论提出细菌种群产生遗传多样性,是因为整个群体在适应多种局部小环境时建立了不同的亚群(称为生态型)。还有一种理论认为,细菌的基因多态性是中性的,不会影响细菌对环境的适应。细菌通过分裂进行无性繁殖,也就是说下一代的遗传物质基本上是亲本的翻版。种群的遗产多样性是来自于突变或者DNA片段在不同个体之间的传递。

研究人员对DNA深度测序产生的海量数据进行了复杂的统计分析,追溯了聚球藻属蓝细菌天然种群的形成过程。他们发现,上述两种理论模型均与测序数据不符。

研究指出,这个蓝细菌种群占据了广阔的生态位(niche),覆盖了一系列环境条件。不过其种群多样性是源自于个体之间频繁的遗传物质交换。这种交换发生的频率很高,以至于研究人员将这些蓝细菌视为准有性(quasi-sexual)群体。

在有性生殖的生物中,后代结合了两个亲本的基因,形成了新的基因组合。聚球藻属蓝细菌也符合这一规律,DNA广泛转移使后代普遍得到新的基因组合。在这样的种群中,自然选择是在基因水平上起作用,而不是整个基因组。

“从人类肠道到植物根系,微生物多样性几乎无处不在,”Bhaya说。“单细胞测序、蛋白质组学、显微成像等技术将帮助我们深入探索这些重要的微观世界。”

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