Nature解析水平基因转移

生物通报道  尽管在许多真核生物中是突变和有性繁殖驱动了遗传创新，对于生命中独特的单细胞领域：古细菌和细菌而言，水平基因转移是获得新性状的一种关键机制。

水平基因转移, 又称横向基因转移, 指不同于常规的由亲代到子代的垂直基因传递, 能跨越种间隔离, 在亲缘关系或远或近的生物有机体间进行的遗传信息转移. 通过将新基因导入现有的基因组, 水平基因转移能帮助受体生物绕过通过点突变和重组创造新基因的缓慢过程, 从而加速基因组的革新和进化（延伸阅读：中科院最新文章：水平基因转移）。

通过对2.5万个古细菌基因家族进行系统进化分析，研究人员证实从细菌处获得的一些基因似乎在形成古细菌的主要类群中起重要作用。这项发表在10月15日《自然》（Nature）杂志上的研究，还表明了遗传物质从细菌转移至古细菌比从古细菌转移至细菌常见5倍。

论文的共同作者、德国杜塞尔多夫大学分子进化研究所的William Martin说：“我们往往认为进化是以一种渐进的方式推进，点点滴滴的点突变沿着不同的谱系累积，促成了分化和一些新的物种。传统的系统发生研究是根据编码核糖体RNA和其他基础功能的通用基因，但这些只代表了微生物基因组的1%。我们一直在检测其余的99%，并且我们发现了一些非常令人惊讶的事情。”

在分析的古细菌基因中大约有三分之一在细菌基因组中具有同系物，在13个古细菌目中遗传输入的系统发生密切反映了古细菌特异性基因的系统发生，表明每个目的产生都与基因获得相一致。“对于古细菌的每一个分支来说，获得大量的细菌基因似乎是导致各个进化枝分离与特化的关键事件，“美国国家生物技术信息中心从事进化基因组学研究的Eugene Koonin（未参与该研究）说。

Martin研究小组第一次应用这种分析方法证实了，嗜盐古菌群的产生与获得1000多种细菌基因相一致，赋予了古细菌有氧呼吸的能力。在发表于2012年《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上的一项分析研究中，他们曾计算了1,500个基因家族的系统树。而当前的研究构建了25,000个古细菌基因家族的系统树，被认为计算更为密集。

尤其是，种系发生揭示在产甲烷古菌（methanogenic archaea）中有83%的细菌基因导入。产甲烷古菌一直被认为是最古老的古细菌群，具有简单的代谢——在存在氢气的情况下二氧化碳厌氧还原为甲烷。

Koonin说，尽管统计测试支持了在古细菌谱系形成的时候它们突然地拾起了大群的细菌基因，还需要进一步的分析来确证这一结论。而Martin研究小组分析的39%的遗传输入都与代谢有关则强化了这一观点。

尽管这些结果还要接受进一步的调查，其对于科学家们理解微生物的早期进化具有巨大的意义。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Origins of major archaeal clades correspond to gene acquisitions from bacteria

The mechanisms that underlie the origin of major prokaryotic groups are poorly understood. In principle, the origin of both species and higher taxa among prokaryotes should entail similar mechanisms—ecological interactions with the environment paired with natural genetic variation involving lineage-specific gene innovations and lineage-specific gene acquisitions1, 2, 3, 4. To investigate the origin of higher taxa in archaea, we have determined gene distributions and gene phylogenies for the 267,568 protein-coding genes of 134 sequenced archaeal genomes in the context of their homologues from 1,847 reference bacterial genomes. Archaeal-specific gene families define 13 traditionally recognized archaeal higher taxa in our sample. Here we report that the origins of these 13 groups unexpectedly correspond to 2,264 group-specific gene acquisitions from bacteria. Interdomain gene transfer is highly asymmetric, transfers from bacteria to archaea are more than fivefold more frequent than vice versa. Gene transfers identified at major evolutionary transitions among prokaryotes specifically implicate gene acquisitions for metabolic functions from bacteria as key innovations in the origin of higher archaeal taxa.