科学家发现了一种在普通海洋微生物中共享遗传信息的新方法

从热带到两极，从海面到数百英尺以下，世界上的海洋充满了一种最小的生物体：一种叫做原绿球藻的细菌，尽管它们的体积很小，但它们共同造成了相当大一部分的海洋的氧气生产。但是，这些小型生物体多样化和适应如此截然不同的环境的非凡能力仍然是个谜。

现在，新的研究表明，这些微小的细菌通过一种以前没有记载的机制相互交换遗传信息，即使它们相隔很远。这使它们能够传递整个基因块，例如那些赋予代谢特定营养素或保护自己免受病毒侵害的能力的基因，即使在水中种群相对稀少的地区也是如此。

这些发现描述了一类参与水平基因转移的新型遗传因子，其中遗传信息通过直系血统以外的方式在生物体之间直接传递——无论是同一物种还是不同物种。研究人员将执行这种转移的试剂称为“tycheposons”，这是一种DNA序列，可以包括几个完整的基因以及周围的序列，并且可以自发地从周围的DNA中分离出来。然后，它们可以通过一种或另一种可能的载体系统运输到其他生物体，包括细胞可以从它们自己的膜产生的称为囊泡的微小气泡。

这项研究包括研究来自世界各地不同生态系统的数百个Prochlorococcus基因组，以及实验室培养的不同变体样本，甚至是在实验室进行和观察的进化过程，今天发表在Cell杂志上，前麻省理工学院博士后ThomasHackl和RaphaëlLaurenceau的论文，访问了博士后MarkusAnkenbrand、研究所教授Sallie“Penny”Chisholm以及麻省理工学院和其他机构的其他16人。

Chisholm在1988年发现这些无处不在的生物中发挥了作用，谈到新发现时，“我们对此感到非常兴奋，因为它是一种新的细菌水平基因转移剂，它解释了很多模式我们在野外的Prochlorococcus中看到了令人难以置信的多样性。”现在被认为是世界上最丰富的光合生物，被称为蓝细菌的微小变种也是所有光合生物中最小的。

现在在荷兰格罗宁根大学工作的Hackl说，这项工作始于研究来自不同地区的623个已报告的原绿球藻属不同物种的基因组序列，试图弄清楚它们如何能够如此轻易地失去或获得特定功能尽管它们明显缺乏任何已知的促进/促进水平基因转移的系统，例如质粒或称为前噬菌体的病毒。

Hackl、Laurenceau和Ankenbrand调查的是遗传物质的“岛屿”，这些遗传物质似乎是变异的热点，并且通常包含与已知的关键生存过程相关的基因，例如吸收必需且通常限制营养素的能力，例如铁，或氮或磷酸盐。这些岛包含的基因在不同物种之间差异巨大，但它们总是出现在基因组的相同部分，有时甚至在差异很大的物种中也几乎相同——这是水平转移的有力指标。

但是基因组没有显示出与所谓的移动遗传元素相关的常见特征，因此最初这仍然是一个谜。逐渐变得明显的是，这种基因转移和多样化系统不同于在其他生物体(包括人类)中观察到的其他几种机制中的任何一种。

Hackl将他们的发现描述为类似于遗传乐高积木套装，其中以几乎可以立即赋予适应特定环境的能力的方式将DNA块捆绑在一起。例如，受特定营养素可用性限制的物种可以获得增强该营养素吸收所必需的基因。

这些微生物似乎使用多种机制来运输这些tycheposons(这个名字源自希腊女神Tyche，Oceanus的女儿)。一种是使用膜囊泡，小气泡从细菌细胞表面脱落，并与其中的tycheposons一起释放。另一种是通过“劫持”病毒或噬菌体感染，并允许它们携带tycheposons和它们自己的感染性颗粒，称为衣壳。这些是有效的解决方案，Hackl说，“因为在开阔的海洋中，这些细胞很少有细胞间的接触，所以它们很难在没有载体的情况下交换遗传信息。”

果然，当研究从公海收集的衣壳或囊泡时，“它们实际上非常丰富”这些遗传元素，Hackl说。有用的遗传编码包“实际上在这些细胞外颗粒中四处游动，并有可能被其他细胞吸收。”

Chisholm说，“在基因组学的世界里，这些元素有很多不同类型”——能够从一个基因组转移到另一个基因组的DNA序列。然而，“这是一种新类型，”她说。Hackl补充说：“它是一个独特的移动遗传元素家族。它与其他元素有相似之处，但与它们中的任何一个都没有真正紧密的联系。”

虽然这项研究是针对Prochlorococcus的，但Hackl说该团队认为这种现象可能更为普遍。他们已经在其他不相关的海洋细菌中发现了类似的遗传元素，但尚未对这些样本进行详细分析。“在其他细菌中已经描述了类似的元素，我们现在认为它们可能具有相似的功能，”他说。

“这是一种即插即用的机制，你可以在其中玩乐并进行所有这些不同的组合，”他说。“由于Prochlorococcus的数量庞大，它可以发挥很多作用，并尝试很多不同的组合。”

与这项研究无关的克拉克大学生物学助理教授NathanAhlgren说：“tycheposons的发现很重要也很令人兴奋，因为它提供了对Prochlorococcus如何能够换入和换出新基因的新机制理解，以及因此生态上重要的特征。Tycheposons为它是如何完成的提供了一个新的机械解释。”他说，“他们采取了一种创造性的方式来找出并描述这些‘隐藏’在Prochlorococcus基因组中的新遗传元素。”

他补充说，基因组岛，即发现这些轮虫的基因组部分，“存在于许多细菌中，而不仅仅是海洋细菌，因此未来对轮虫的研究对我们理解细菌基因组的进化具有更广泛的意义。”

该团队包括麻省理工学院土木与环境工程系、德国维尔茨堡大学、夏威夷大学马诺阿分校、俄亥俄州立大学、加利福尼亚州牛津纳米孔技术公司、缅因州毕格罗海洋科学实验室和韦尔斯利学院的研究人员。