包括卡內(nèi)基的德瓦基巴亞(Devaki Bhaya)和米歇爾戴維森(Michelle Davison)在內(nèi)的團隊的新工作，對黃石國家公園溫泉中生長的細菌種群進行了大規(guī)模的DNA測序，以確定其遺傳多樣性，并探索潛在的進化動力學。他們在微小的綠色光合藍細菌——聚球藻(Synechococcus)中發(fā)現(xiàn)了一種意想不到的高度共享和交換的遺傳物質，這種細菌在這些被燙傷的惡劣環(huán)境中非常豐富。
研究小組發(fā)現(xiàn)，同一物種不同個體之間基因組組織的差異模式表明，細菌會來回轉移DNA，包括整個基因。這種交換或“重組”允許遺傳變異在群體中迅速傳播。他們的研究成果發(fā)表在《科學》雜志上。
與實驗室研究和臨床工作中精心管理的細菌克隆相反，自然存在的細菌群體中存在大量小規(guī)模的遺傳多樣性。自然環(huán)境中的細菌種群代表著隨時間變化的動態(tài)遺傳資源，但這種多樣性的量化及其動態(tài)的確切機制仍然難以捉摸。
“生物學家長期以來一直對確定促進細菌群落群體遺傳學的進化和生態(tài)力量感興趣，”Bhaya解釋說。
研究團隊還包括第一作者邁克爾羅森和斯坦福大學應用物理系的丹尼爾費舍爾。他們開始結合所謂的“深度測序”(非常詳細和廣泛的DNA測序)的力量來研究這個問題，這種測序具有強大的統(tǒng)計分析能力。
考慮了幾種可能的情況。例如，一種理論預測，細菌種群在遺傳上是多樣的，因為它們在很小的地方水平上適應周圍的條件，導致不同的子種群的建立，這些子種群被稱為生態(tài)型。
另一種可能是，細菌基因的所有多樣性都是“中性”的——特定版本的基因不會使生物體或多或少地適應其環(huán)境。細菌通過無性分裂繁殖，這意味著每一代新細菌都會被其唯一父母的遺傳物質的幾乎完整的拷貝所困。遺傳變化可以通過生物之間的突變或DNA片段轉移來發(fā)生。
利用對大量“DNA深度測序”數(shù)據(jù)的復雜統(tǒng)計分析，該團隊能夠追蹤塑造這些天然聚蓋爾群體的進化力量。他們發(fā)現(xiàn)中性漂移模型和不同生態(tài)類型的微生態(tài)概念與數(shù)據(jù)不符。
相反，人口占據(jù)廣泛的生態(tài)位，包括一系列環(huán)境條件。生物之間的遺傳物質的頻繁交換創(chuàng)造了多樣性。這種情況顯然經(jīng)常發(fā)生，以至于與人類這樣的生物相比，種群可以被視為“準有性的”，人類有性生殖的過程，特別是受精，結合了來自雙親的基因。
在有性生殖中，新的基因組合是規(guī)則。雖然細菌種群通常不是這樣，但對于這些特定的溫泉細菌來說，新的組合是規(guī)律，而不是例外。因為DNA在個體之間移動，新一代人將不僅依賴父母基因的拷貝。由于這種程度的變異，自然選擇在單個基因的水平上起作用，而不是整個基因組。脫氧核糖核酸轉移發(fā)生得如此之多，以至于細菌可以有各種各樣的基因組合和遺傳變異。
Bhaya指出：“如果沒有深入的測序和仔細的分析，我們就無法檢測和識別工作中的力量，弄清楚這些見解是否可以擴展到其他微生物群落將是令人興奮的。“從深海噴口到人類腸道或與植物根部相關的地方，微生物多樣性隨處可見。利用單細胞測序、蛋白質組學和顯微鏡等方法，我們可以以高精度和深度探索這個重要的隱形世界。”
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