利用最近的基因流来定义微生物种群

对一些生物学家来说,在植物和动物中识别物种是一项全职工作,但对生活在地球上的无数微生物来说,这项任务甚至更加艰巨。现在,麻省理工学院的研究人员开发了一种简单的基因流测量方法,可以确定细菌和古生菌之间的生态重要种群,包括与人类疾病相关的种群。

麻省理工学院(MIT)土木与环境工程学教授马丁•波尔兹(Martin Polz)及其同事在8月8日出版的《细胞》(Cell)杂志上撰文称,基因流动指标可以将共存的微生物从基因和生态上分离出来。

波尔兹和他的同事还开发了一种方法来识别这些群体中显示出不同适应能力的基因组部分,这些适应能力可以映射到不同的环境中。例如,当他们在肠道细菌上测试他们的方法时,他们能够确定不同种类的细菌与健康个体和克罗恩病患者有关。

生物学家通常把一组植物或动物称为一个物种,如果这组植物或动物与其他植物或动物在繁殖上是孤立的——也就是说,这组植物或动物中的个体可以彼此繁殖,但不能与其他动物繁殖。因此,一个物种的成员共享一组不同于其他物种的基因。许多进化理论都以物种和种群为中心,它们是一个物种在特定地区的代表。

但是,波尔兹解释说,微生物“违背了传统的动植物物种概念”。微生物倾向于无性繁殖,简单地将自己一分为二,而不是将自己的基因与其他个体结合来产生后代。他说,微生物还因“从病毒等环境来源获取DNA”而臭名昭著。“病毒可以将DNA转移到微生物细胞中,而这些DNA可以整合到它们的基因组中。”

这些过程使得很难根据共存微生物的基因组成将它们分类成不同的种群。波尔兹说:“如果我们不能确定微生物中的这些种群,我们就不能一对一地把为动植物发展起来的丰富的生态和进化理论应用到微生物上。”

例如,如果研究人员想要衡量一个生态系统在面对环境变化时的恢复力,他们可能会研究物种内部的种群是如何随着时间而变化的。“如果我们不知道物种是什么,就很难测量和评估这些类型的扰动,”他补充说。

爱达荷大学(University of Idaho)微生物学家克里斯托弗•马克思(Christopher Marx)表示,他和同事们“将立即将”麻省理工学院研究人员的方法应用到自己的工作中。马克思并未参与细胞研究。“我们可以用这个来回答这个问题,‘我们应该如何定义一个生态上重要的单元?’”

基因流动的标准

马丁和他的同事决定寻找另一种方法来定义微生物中有生态意义的种群。在微生物学研究生Philip Arevalo的带领下,研究人员开发了一种他们称之为PopCOGenT的基因流动指标(群体作为基因转移的集群)。

PopCOGenT测量最近的基因流动或密切相关的基因组之间的基因转移。一般来说,最近交换DNA的微生物基因组应该共享更长的、更频繁的相同DNA片段,而不是仅仅通过将DNA一分为二来繁殖。研究人员认为,如果没有这种近期的交流,这些相同DNA的共享片段的长度将会缩短,因为突变会在片段中插入新的“字母”。

两种微生物的基因并不完全相同,但它们共享相当大的“大块”相同的DNA,它们之间交换的遗传物质可能比其他菌株要多。正如研究人员在对三种不同细菌的测试中发现的那样,这种基因流测量可以定义不同的微生物种群。

例如,波尔兹和他的同事们发现,在弧菌中,紧密相关的种群可能共享一些核心基因序列,但通过对最近的基因流的测量,它们似乎完全相互隔离。

Polz说,PopCOGenT方法在定义微生物种群方面可能比以前的研究更有效,因为它关注的是最近密切相关的有机体之间的基因流动,而不是包括可能在过去数千年发生的基因流动事件。

该方法还表明,虽然微生物不断地从环境中吸收不同的DNA,这可能会模糊基因流动的模式,但波尔兹说:“可能这种不同的DNA真的会通过快速从种群中进行选择而被移除。”

逆向生态学方法

微生物学研究生David VanInsberghe随后提出了一种“逆向生态学”方法,可以在这些新定义的群体中识别出基因组中显示“选择性扫描”的区域——DNA变异被减少或消除的区域,这可能是对一种特定有益基因变异的强烈自然选择的结果。

通过识别种群内部的特定扫描,并绘制出这些种群的分布,该方法可以揭示出可能的适应性,这些适应性驱使微生物在不事先了解其环境的情况下,居住在特定的环境或宿主中。当研究人员在gnavus瘤胃球菌中测试这种方法时,他们发现了与健康人群和克罗恩病患者相关的微生物群。

波尔兹说,反生态学方法很可能在不久的将来被应用于研究人类体内细菌的全部多样性。“对人类微生物组中密切相关的有机体进行测序,寻找健康和疾病之间的关联,这方面有很多兴趣,而且数据集还在不断增长。”

他希望用这种方法来检测微生物的“灵活基因组”。例如,大肠杆菌的菌株在一个“核心基因组”中共享约40%的基因,而其他60%——灵活的部分——则因菌株而异。“对我来说,这是微生物学中最大的问题之一:为什么这些基因组的基因含量如此多样化?””Polz解释道。“一旦我们可以将种群定义为进化单位,我们就可以根据进化过程来解释这些种群中的基因频率。”

马克思说,波尔兹和他的同事的发现可能会增加对微生物多样性的估计。“我认为马丁团队的这种方法很酷的地方在于,他们实际上表明,我们看到的复杂性比我们想象的还要复杂。也许还有更多的物种在生态上很重要,如果它们是植物和动物,我们就称它们为物种。”

论文的其他作者还包括麻省理工学院的约瑟夫•埃尔舍比尼(Joseph Elsherbini)和杰夫•戈尔(Jeff Gore)。这项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)和西蒙斯基金会(Simons Foundation)的部分支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/define-microbes-gene-flow-0808

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