Пойманы с поличным: исследование обнаружило видообразование у микробов

Не так давно в горячем источнике на Камчатке две группы генетически неразличимых микроорганизмов начали расходиться. Они начали эволюционировать в разные виды — несмотря на то, что по-прежнему встречались в своей кислой, кипящей среде обитания и даже время от времени обменивались генами. Это первый пример того, что исследователи называют симпатрическим видообразованием у микроорганизмов.

Идея симпатрического видообразования (когда одна линия расходится на два или более вида без физических или механических барьеров, разделяющих их) спорна и сложна для доказательства, особенно у микробов.

Один из главных вопросов — как виды расходятся, если живут вместе? На него до сих пор нет хорошего ответа даже для макроорганизмов, которых изучают сотни лет. У бактерий и их дальних родственников — архей — всё ещё сложнее, так как у них много способов обмена генетической информацией.

Микробы делятся, производя точные или почти точные клоны себя. Если бы это был единственный способ, их генетическое разнообразие было бы низким. Но они также могут соединяться друг с другом для передачи генов, поглощать случайные генетические элементы из среды и получать новые гены от вирусов.

Раньше учёные с трудом отличали микробов друг от друга, но теперь используют молекулярные инструменты, такие как последовательности ДНК. Однако даже с новыми технологиями секвенирования задача изучения эволюции микробов остаётся сложной.

Исследователи сосредоточились на Sulfolobus islandicus — термофильном организме из домена архей, потому что он живёт в отдельных «островных» популяциях, созданных геотермальными источниками. Эта среда не очень сложна в микробном плане, и организмы, способные в ней жить, не часто перемещаются.

Учёные секвенировали геномы 12 штаммов S. islandicus из одного горячего источника в районе вулкана Мутновский на Камчатке. Сравнивая последовательности в разных участках единственной (кольцевой) хромосомы с помощью новых программ ClonalFrame и ClonalOrigin, они восстановили генетическую историю каждого штамма.

Анализ выявил две чёткие группы среди 12 штаммов. Микробы обменивались генами с членами своей группы больше ожидаемого, но делились генами с другой группой — меньше ожидаемого. Обмен генетическим материалом между двумя группами со временем уменьшался.

Это указывает, что две группы уже являются отдельными видами, хотя и разделяют одну среду обитания. Различия между группами были небольшими, но видообразование явно шло.

При ближайшем рассмотрении паттернов изменений исследователи увидели мозаику различий вдоль хромосомы: обширные «континенты» вариаций и меньшие «острова» стабильности. Эти острова, вероятно, представляют регионы, находящиеся под давлением отбора: что-то в их среде отсеивает микробов, у которых нет этих генов или наборов генов. Вариабельные регионы более изменчивы: гены приходят и уходят (процесс рекомбинации), а мутации увеличивают разнообразие.

Результаты дают первое доказательство, что симпатрическое видообразование происходит у микробов.

«Мы поймали их в момент видообразования. Они обмениваются некоторыми генами — просто не очень многими. Теперь мы знаем, что для видообразования не нужен (географический или механический) барьер для рекомбинации. Нужно лишь, чтобы отбор разводил две группы в стороны, чего раньше никто не знал».

Это исследование позволяет заглянуть в огромное генетическое разнообразие, которое, вероятно, существует повсюду в диких микробных популяциях.

«То, что мы видим как два разных вида, отличается на 0,35% по всей хромосоме; это примерно одна треть расстояния между человеком и шимпанзе».

Две различные группы микробов «на порядки» более похожи друг на друга, чем группы, обычно считающиеся отдельными видами.

«Это означает, что видов микробов на порядки больше, чем мы когда-либо думали. И это ошеломляет».

Исследование опубликовано в журнале PLoS Biology.