研究表明,太古代蓝细菌演化的氧光合作用和生活谱系

利用一种新的基因分析技术,来自麻省理工学院和其他地方的研究人员发现,所有现存的蓝藻细菌都可以追溯到一个共同的祖先,这个祖先大约在29亿年前进化而来。他们还发现,蓝藻的祖先大约在34亿年前从其他细菌中分离出来,氧气光合作用可能在其间的5亿年间进化,也就是太古宙时期。这一估计认为,含氧光合作用的出现至少要早于大氧化事件4亿年,在这个时期,地球的大气和海洋首次经历了氧气含量的上升。

针囊藻,蓝藻菌群的一种。图片来源:巴里·罗森,美国地质调查局。

胶刺藻属echinulata,蓝细菌的一种群落。图片来源:巴里·罗森,美国地质调查局。

“在进化过程中,事情总是从小事开始,”麻省理工学院(MIT)地球、大气和行星科学系(Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences)研究员格雷格·福涅尔(Greg Fournier)博士说。

“即使有证据表明早期的含氧光合作用——这是地球上最重要和真正令人惊叹的进化创新——它仍然花了数亿年才起飞。”

为了准确确定蓝藻和氧气光合作用的起源,福涅尔博士和同事们将分子时钟年代测定与水平基因转移相结合,这是一种独立的方法,不完全依赖化石或速率假设。

通常情况下,一个有机体是垂直遗传基因的,即该基因是从母体遗传下来的。

在极少数情况下,一个基因也可以从一个物种跳到另一个物种,也就是远亲物种。例如,一个细胞可能会吃掉另一个细胞,并在这个过程中把一些新的基因合并到它的基因组中。

当这种水平基因转移的历史被发现时,很明显,获得该基因的生物群比该基因起源的生物群在进化上更年轻。

研究人员推断,这样的例子可以用来确定某些细菌群之间的相对年龄。这些群体的年龄可以与各种分子钟模型预测的年龄进行比较。

最接近的模型可能是最准确的,然后可以用来精确估计其他细菌物种的年龄——特别是蓝藻细菌。

根据这一推理,科学家们在数千种细菌的基因组中寻找水平基因转移的实例,包括蓝藻细菌。

他们还使用了新的现代蓝藻培养物,以更精确地使用化石蓝藻作为校准。

结果,他们确定了34个明显的水平基因转移实例。

然后,他们发现六分之一的分子时钟模型与该团队在水平基因转移分析中确定的相对年龄一致。

研究小组运用这个模型来估计蓝藻冠群的年龄,其中包括所有现存的、已知的具有氧气光合作用的物种。

作者发现,在太古代宙,冠菌群大约起源于29亿年前,而蓝藻细菌作为一个整体在34亿年前从其他细菌中分离出来。

这有力地表明,在大氧化事件之前的5亿年,含氧光合作用就已经发生了,而且蓝藻在氧气在大气中积累之前,已经生产了很长时间的氧气。

分析还显示,在大氧化事件前不久,大约24亿年前,蓝藻经历了一次突变。

这意味着蓝藻细菌的快速膨胀可能导致了地球进入大氧化事件,并向大气中释放了氧气。

该团队现在计划将水平基因转移技术应用于蓝藻以外的物种,以确定其他难以捉摸的物种的起源。

“这项工作表明,结合水平基因转移的分子钟有望可靠地提供整个生命树中各个群体的年龄,即使是没有留下化石记录的古代微生物……这在以前是不可能的,”福涅尔博士说。

结果在本周的英国皇家学会学报B

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他的弗尔涅.2021.氧光合作用的太古代起源和现存的蓝藻谱系。Proc。r . Soc。B288 (1959): 20210675;doi: 10.1098 / rspb.2021.0675

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