Квази-половой перенос генов определяет генетическое разнообразие бактерий горячих источников
Новое исследование команды, включавшей Дэваки Бхаю и Мишель Дэвисон из Института Карнеги, использовало массовое секвенирование ДНК популяций бактерий из горячих источников Йеллоустонского национального парка. Учёные определили их генетическое разнообразие и изучили лежащие в его основе эволюционные механизмы. Они обнаружили неожиданно высокую степень обмена генетическим материалом между мелкими зелёными фотосинтезирующими цианобактериями Synechococcus, которые в изобилии встречаются в этих экстремальных средах.
Ключевое открытие
Команда выяснила, что характер различий в организации генома между различными особями одного вида указывает на перенос ДНК, включая целые гены, между бактериями. Этот обмен, или «рекомбинация», позволяет генетическим вариациям быстро распространяться в популяции. Результаты опубликованы в журнале Science.
Контекст проблемы
Естественные популяции бактерий демонстрируют высокое мелкомасштабное генетическое разнообразие, в отличие от клонов, используемых в лабораториях. Однако количественная оценка этого разнообразия и точные механизмы, его создающие, оставались неясными.
Методология
Исследовательская группа (включая ведущего автора Майкла Розена и Дэниела Фишера из Стэнфорда) использовала комбинацию:
- Глубокого секвенирования (высокодетальное определение последовательности ДНК).
- Мощного статистического анализа для проверки различных эволюционных сценариев.
Результаты анализа
Данные опровергли две основные гипотезы:
- Нейтральный дрейф (разнообразие как случайный набор мутаций).
- Микро-ниши и экотипы (разнообразие из-за адаптации к локальным условиям).
Вместо этого было установлено, что популяция занимает широкую нишу, а разнообразие создаётся частым обменом генетическим материалом между организмами. Этот процесс происходит настолько часто, что популяцию можно рассматривать как «квази-половую».
Эволюционные последствия
- Для этих бактерий новые комбинации генов — правило, а не исключение.
- Новое поколение не получает лишь копию родительских генов.
- Естественный отбор действует на уровне отдельных генов, а не целого генома.
- Бактерии могут иметь самые разные комбинации генов и их вариантов.
Значение и перспективы
«Без глубокого секвенирования и тщательного анализа мы никогда не смогли бы обнаружить и идентифицировать действующие силы», — отметила Дэваки Бхая. По её словам, теперь интересно выяснить, применимы ли эти выводы к другим микробным сообществам — от глубоководных гидротермальных источников до кишечника человека. Использование методов одноклеточного секвенирования, протеомики и микроскопии позволит с большой точностью исследовать этот невидимый и важный мир.