聚球藻屬藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteria Synechococcus)生活在美國黃石國家公園的溫泉中。日前，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們對這種細(xì)菌的天然種群進行了大規(guī)模測序，分析了其中的遺傳多樣性，揭示了這種多樣性的形成機制，研究發(fā)表在5月28日的Science雜志上。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)菌存在高水平的遺產(chǎn)物質(zhì)分享和交換，就像一個流動的基因池。細(xì)菌個體反復(fù)交換或“重組”DNA片段(包括整個基因)，使基因變異能夠快速在種群中擴散。
自然界中的細(xì)菌種群有著極大的遺傳多樣性，會隨著時間推移而發(fā)生變化。不過人們還不清楚造成這種多樣性的確切機制?！吧飳W(xué)家們一直希望了解推動細(xì)菌種群遺傳多樣性的進化和生態(tài)動力，”文章的作者Devaki Bhaya解釋道。Bhaya等人將深度測序與統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)合起來，希望能夠解決這個問題。
此前科學(xué)家們提出過許多理論。舉例來說，有一種理論提出細(xì)菌種群產(chǎn)生遺傳多樣性，是因為整個群體在適應(yīng)多種局部小環(huán)境時建立了不同的亞群(稱為生態(tài)型)。還有一種理論認(rèn)為，細(xì)菌的基因多態(tài)性是中性的，不會影響細(xì)菌對環(huán)境的適應(yīng)。細(xì)菌通過分裂進行無性繁殖，也就是說下一代的遺傳物質(zhì)基本上是親本的翻版。種群的遺產(chǎn)多樣性是來自于突變或者DNA片段在不同個體之間的傳遞。
研究人員對DNA深度測序產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行了復(fù)雜的統(tǒng)計分析，追溯了聚球藻屬藍(lán)細(xì)菌天然種群的形成過程。他們發(fā)現(xiàn)，上述兩種理論模型均與測序數(shù)據(jù)不符。
研究指出，這個藍(lán)細(xì)菌種群占據(jù)了廣闊的生態(tài)位(niche)，覆蓋了一系列環(huán)境條件。不過其種群多樣性是源自于個體之間頻繁的遺傳物質(zhì)交換。這種交換發(fā)生的頻率很高，以至于研究人員將這些藍(lán)細(xì)菌視為準(zhǔn)有性(quasi-sexual)群體。
在有性生殖的生物中，后代結(jié)合了兩個親本的基因，形成了新的基因組合。聚球藻屬藍(lán)細(xì)菌也符合這一規(guī)律，DNA廣泛轉(zhuǎn)移使后代普遍得到新的基因組合。在這樣的種群中，自然選擇是在基因水平上起作用，而不是整個基因組。
“從人類腸道到植物根系，微生物多樣性幾乎無處不在，”Bhaya說。“單細(xì)胞測序、蛋白質(zhì)組學(xué)、顯微成像等技術(shù)將幫助我們深入探索這些重要的微觀世界。”
