進化の年表とゲノムの可塑性が生活様式の多様性を支えている

Evolutionary Timeline and Genomic Plasticity Underlying the Lifestyle Diversity in .

• Sishuo Wang
• Andrew Meade
• Hon-Ming Lam
• Haiwei Luo

抄録

この目のメンバーには、結節で窒素を固定する能力を持つものや、動植物の病原体が含まれています。このような生活様式の多様性は、農業研究や医学研究に重要な意味を持つ。私たちは、大規模なゲノムデータを用いて、約15億年前（Mya）に自由に生きていた祖先を起源とし、その後の宿主と関連した生活様式の出現は、真核生物の宿主の台頭とほぼ一致していたことを推察しています。特に、最初の結節系統は、マメ科植物の出現と一般的に同時進行している時間範囲である150〜80 Myaのいずれかから生じた。生活様式の変化の速度は非常に可変的であり、結節系の関連性は得られるよりも失われる可能性が高く、動物の関連性は進化の行き詰まりを表している可能性が高い。遺伝子の存在とライフスタイルの間に統計的な相関関係があるかどうかを調べ、発散している系統において同じライフスタイルへの移行と適応に寄与している可能性の高い遺伝子を同定した。その結果、主要な結節系統への移行を成功させる可能性のある遺伝子のうち、結節と窒素固定のためのクラスターは、それぞれ移行の際に繰り返し獲得され、微小酸素環境下でのエネルギー保存に関与するクラスターは、非結節系統の祖先に存在し、分泌系は系統特異的なパターンで獲得された。我々の研究データは、真核生物の多様性の増加が細菌のライフスタイルの多様化を促進し、後天的な形質と既存の形質の両方が宿主連合の起源を促進していることを示唆している。バクテリアは真核生物の宿主と多様な相互作用を形成している。このことは、真核生物との間で多様な相互作用を形成していることを示しており、農業や医学の研究にとって重要な生活様式の多様性のために戦略的に重要なクラッドである。その生活様式の進化を調べるために、私たちは1,000以上のゲノムと生活様式情報の包括的なデータセットを作成しました。さらに、遺伝子の獲得に加えて、既存の形質や特定のゲノム上の形質の反復的な喪失が、宿主関連系統の起源において、あまり認識されていない役割を果たしている可能性があることを明らかにし、微生物の農業用予防接種剤の遺伝子工学や、潜在的な植物・動物病原体の出現を防ぐための手がかりを提供する。

Members of the order include those capable of nitrogen fixation in nodules as well as pathogens of animals and plants. This lifestyle diversity has important implications for agricultural and medical research. Leveraging large-scale genomic data, we infer that originated as a free-living ancestor ∼1,500 million years ago (Mya) and that the later emergence of host-associated lifestyles broadly coincided with the rise of their eukaryotic hosts. In particular, the first nodulating lineage arose from either or 150 to 80 Mya, a time range in general concurrent with the emergence of legumes. The rates of lifestyle transitions are highly variable; nodule association is more likely to be lost than gained, whereas animal association likely represents an evolutionary dead end. We searched for statistical correlations between gene presence and lifestyle and identified genes likely contributing to the transition and adaptation to the same lifestyle in divergent lineages. Among the genes potentially promoting successful transitions to major nodulation lineages, the and clusters for nodulation and nitrogen fixation, respectively, were repeatedly acquired during each transition; the , , and clusters involved in energy conservation under micro-oxic conditions were present in the nonnodulating ancestors; and the secretion systems were acquired in lineage-specific patterns. Our study data suggest that increased eukaryote diversity drives lifestyle diversification of bacteria and highlight both acquired and preexisting traits facilitating the origin of host association. Bacteria form diverse interactions with eukaryotic hosts. This is well represented by the , a clade of strategically important for their large diversity of lifestyles with implications for agricultural and medical research. To investigate their lifestyle evolution, we compiled a comprehensive data set of genomes and lifestyle information for over 1,000 genomes. We show that the origins of major host-associated lineages in broadly coincided with the emergences of their host plants/animals, suggesting bacterium-host interactions as a driving force in the evolution of We further found that, in addition to gene gains, preexisting traits and recurrent losses of specific genomic traits may have played underrecognized roles in the origin of host-associated lineages, providing clues to genetic engineering of microbial agricultural inoculants and prevention of the emergence of potential plant/animal pathogens.

Copyright © 2020 Wang et al.