Бактерии развили всевозможные приспособления, чтобы жить в каждой среде обитания на Земле. Но в отличие от растений и животных, которые могут быть сохранены в виде окаменелостей, бактерии оставили после себя мало физических свидетельств своей эволюции, что затрудняет ученым точное определение того, когда эволюционировали различные группы бактерий.
Теперь ученые Массачусетского технологического института разработали надежный способ определить, когда определенные группы бактерий появились в истории эволюции. Этот метод можно использовать для определения того, когда произошли значительные изменения в эволюции бактерий, и для выявления подробностей о примитивных средах, которые в первую очередь вызвали такие изменения.
В статье, опубликованной в Интернете 28 января в журнале BMC Evolutionary Biology, исследователи сообщают об использовании этой техники для определения того, что примерно от 450 до 350 миллионов лет назад, во время палеозойской эры, несколько основных групп почвенных бактерий приобрели специфический ген грибов, который позволял им расщеплять хитин - волокнистый материал, обнаруженный в клеточных стенках грибов и экзоскелетах членистоногих - и использовать его продукты для роста.
Эта эволюционная адаптация у бактерий могла быть вызвана значительным изменением окружающей среды. Примерно в то же время членистоногие, такие как ранние пауки, насекомые и многоножки, переселялись из океанов на сушу. По мере того как эти наземные членистоногие распространялись и диверсифицировались, они оставили после себя хитин, создав более богатую почвенную среду и новые возможности для процветания бактерий, особенно тех, которые приобрели ген хитиназы.
«До этого периода у вас должны были быть почвы, но они могли выглядеть как сухие долины Антарктиды», - говорит Грегори Фурнье, доцент кафедры геобиологии Сесила и Иды Грин на кафедре Земли и атмосферы Массачусетского технологического института. и планетарных наук. «Когда животные впервые жили в почве, это предоставило микробам новые возможности для использования преимуществ и разнообразия».
Фурнье говорит, что, отслеживая определенные гены, такие как хитиназа в бактериях, ученые могут получить новое представление о ранней истории животных и окружающей среде, в которой они жили.
«Микробы содержат в своих геномах теневую историю жизни животных, которую мы можем использовать, чтобы заполнить пробелы в нашем понимании не только микробов, но и ранней истории животных», - говорит Фурнье.
В число авторов статьи входят ведущий автор Даниэль Грюн, доктор философии '18, и бывший постдоктор Джоанна Вульф, ныне научный сотрудник Гарвардского университета.
Пропавшие окаменелости
Без летописи окаменелостей ученые использовали другие методы, чтобы составить «древо жизни» бактерий - карту генетических отношений, показывающую множество ветвей и расщеплений, поскольку бактерии эволюционировали в сотни тысяч видов с течением времени. Ученые создали такие карты, анализируя и сравнивая последовательности генов существующих бактерий.
Используя подход «молекулярных часов», они могут оценить скорость, с которой могли произойти определенные генетические мутации, и рассчитать время, за которое два вида могли разойтись.
«Но это может сказать вам только относительное время, и с этими оценками связана огромная неопределенность», - говорит Фурнье. «Мы должны каким-то образом привязать это дерево к геологической летописи, к абсолютному времени».
Команда обнаружила, что они могут использовать окаменелости совершенно другого организма, чтобы зафиксировать время эволюции определенных групп бактерий. Хотя в подавляющем большинстве случаев гены передаются из поколения в поколение, от родителя к потомству, время от времени ген может переходить от одного организма к другому, через вирус или через окружающую среду, в процессе, известном как горизонтальный перенос генов.. Таким образом, одна и та же генетическая последовательность может появиться у двух организмов, у которых в противном случае была бы совершенно разная генетическая история.
Фурнье и его коллеги пришли к выводу, что, если бы они смогли идентифицировать общий ген между бактериями и совершенно другим организмом - организмом с четкой палеонтологической летописью - они могли бы связать эволюцию бактерий с той точкой, в которой этот ген был передан. от ископаемого организма к бактериям.
Расщепление деревьев
Они просмотрели последовательности геномов тысяч организмов и идентифицировали единственный ген, хитиназу, который появился у нескольких основных групп бактерий, а также у большинства видов грибов, окаменелости которых хорошо известны.
Затем они использовали алгоритмы для создания дерева всех различных видов с генами хитиназы, показывающего отношения между видами на основе мутаций в их геномах. Затем они использовали подход молекулярных часов, чтобы определить относительное время, когда каждый вид бактерий, содержащих хитиназу, разветвлялся от своего соответствующего предка. Они повторили тот же процесс для грибов.
Исследователи проследили хитиназу в грибах до точки, в которой она больше всего напоминала ген, когда она впервые появилась у бактерий, и пришли к выводу, что это, должно быть, произошло, когда грибы передали ген бактериям. Затем они использовали летопись окаменелостей грибов, чтобы точно определить время, когда, вероятно, произошел перенос.
Они обнаружили, что после последующего переноса этого гена между несколькими группами бактерий три основные группы почвенных бактерий, содержащих ген хитиназы, диверсифицировались примерно от 450 до 350 миллионов лет назад. Этот быстрый всплеск микробного разнообразия, вероятно, был ответом на аналогичную диверсификацию наземных животных, в частности хитин-продуцирующих членистоногих, которая произошла примерно в тот же период, как показывают летописи окаменелостей.
«Этот результат подтверждает [идею] о том, что микробные группы имеют тенденцию приобретать гены для использования ресурсов, как только они становятся доступными в окружающей среде», - отмечает Фурнье. «В принципе, этот подход можно использовать для датирования многих других групп микробов, используя перенос других генов, которые используют другие ресурсы».
Фурнье в настоящее время разрабатывает автоматизированный конвейер для обнаружения полезного переноса генов между бактериями и другими организмами на основе огромных объемов данных о генах. Например, он изучает микробные гены, ответственные за расщепление коллагена - соединения, которое вырабатывается только у животных и содержится в мягких тканях тела.
«Если у нас есть теневая история генов микробов, которые питаются мягкими тканями тела, мы, возможно, могли бы реконструировать раннюю историю мягких тканей тела, которые плохо сохраняются в летописи окаменелостей», - говорит Фурнье.