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2016
12-23

《Nature》:进化大咖用传代25年的细菌分析基因组如何进化

 

也许很多人并不了解Richard E. Lenski,但是曾有一张有趣的照片在网走红:打坐的年轻学者背后是如山的细菌培养皿。这位年轻学者是Lenski当时的博士后,他用了那么多培养皿来研究细菌是如何进化出用柠檬酸盐供能的新技能。

Lenski从1988年就开始收藏培养中的细菌,将细菌不停传代并冻存,坚持了25年。期间他用这些细菌完成了大量的进化学实验,发表了50多篇文章,证实了突变与选择对生物的塑造作用。Richard E. Lenski在之前的报道中是被称为“将进化史装进瓶子里的人”,他的进化学实验研究在该领域有着非凡的影响力。Lenski的工作一直给人带来惊喜,目前全基因组测序的发展也融入了他的进化学实验。

自然选择的适应取决于许多突变的发生率、影响和相互作用。这使得很难确定什么比例的突变在进化谱系中是有益的。在8月1日在线发表在Nature的文章中, Lenski和他的研究团队分析了来自12个大肠杆菌种群的264个完整基因组,来确认它们超过5万代的动态特征。

实验进化和基因组测序相结合的新手段

比较基因组学的研究以及确定了适应环境的分子基础,其中包括乳糖酶在人类的持久存在,动物和植物的驯化,以及细菌的致病性。然而,很难确定一般是什么样的一部分新突变在进化谱系中是有益的。回答这个问题对于用系统发育手段对基因序列变化建模很重要,也会带来对基因组进化适应性的还是非适应性的模式的争论。

实验进化和基因组测序已经提供了一种新的研究手段。这种方法已被应用在病毒、细菌、酵母和果蝇中。2012年刊登在Science上的一篇研究文章,对涉及对高温压力适应中突变的多样性的第2000代超过100个谱系进行了测序。Lenski团队在Nature 09年发表一项细菌的研究中,对一个种群中的一系列克隆超过4万代的测序显示了基因组进化的轨迹。前一项短期的实验只揭示了适应的早期步骤,后面对一个种群的研究对于区分适应性驱动突变和非适应性偶然突变还是困难的。

264个全基因测序支持大多数固定的突变是有益的

为了克服这些限制, Lenski团队用大肠杆菌在超过5万代的长期进化实验中,分析了12个种群的264个克隆。这些大肠杆菌种群是自1988年以来在一个成分明确的有限资源的介质中进化而来的。平均适应度和它们的祖先相比增加了70%。这是一个研究基础进化问题的很好模型。

保留祖先的突变率的这些种群支持一个模型:即大多数固定的突变是有益的,当适应度上升时有益的突变比例下降,中性突变在一个恒定的速率积累。文章还比较了瓶颈时期面临最小选择时,这些种群突变积累曲线的进化。在长期的种群中,非同义突变、基因突变、插入和缺失超出一定的比例,这支持了大多数达到很高频率的突变被选择所青睐这一推论。这些结果表明了改变压力的平衡促使种群中的基因组进化以适应新环境。

Tempo and mode of genome evolution in a 50,000-generation experiment

Adaptation by natural selection depends on the rates, effects and interactions of many mutations, making it difficult to determine what proportion of mutations in an evolving lineage are beneficial. Here we analysed 264 complete genomes from 12 Escherichia coli populations to characterize their dynamics over 50,000 generations. The populations that retained the ancestral mutation rate support a model in which most fixed mutations are beneficial, the fraction of beneficial mutations declines as fitness rises, and neutral mutations accumulate at a constant rate. We also compared these populations to mutation-accumulation lines evolved under a bottlenecking regime that minimizes selection. Nonsynonymous mutations, intergenic mutations, insertions and deletions are overrepresented in the long-term populations, further supporting the inference that most mutations that reached high frequency were favoured by selection. These results illuminate the shifting balance of forces that govern genome evolution in populations adapting to a new environment.

http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7615/full/nature18959.html

转载:生物探索

http://www.biodiscover.com/news/research/177756.html


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