虽然人类家族很容易被描绘成一棵树，但细菌家族看起来更像是一堆树枝。科学家们正试图追踪这些分支之间的联系，以便更多地了解对我们有害的细菌，以及那些对我们无害的细菌。康涅狄格大学的Peter Gogarten和Joerg Graf与一组研究人员一起绘制了气单胞菌属56种细菌的系谱图。气单胞菌属是一种多样性的细菌，主要生活在水里和血食动物的内脏中，如水蛭、蚊子和吸血蝙蝠，但也会引起人类、鱼类和其他动物的疾病。通过对气单胞菌属细菌种类之间关系的研究，研究人员希望找到哪些种类是无害的，哪些是致病的线索。利用一项前沿技术，对大量的气单胞菌微生物遗传密码进行了比较，细菌菌株之间的家族关系开始出现——但气单胞菌的族谱确实扭曲了。
分解问题
试图将任何细菌系谱拼凑在一起，都因它们的繁殖方式而变得复杂。细菌克隆自己，每一个女儿都有一模一样的母亲，这似乎使追踪家族的路线变得容易。但细菌的性行为方式让它变得复杂。性——或基因物质的交换和重组——与细菌繁殖的克隆过程无关。取而代之的是，细菌在所有的时间里反复地交换基因，即使细菌不是他们自己物种的成员。细菌基因交换被微生物学家称为水平基因转移，就像一场混乱的电话游戏，信息在从一种细菌传递到另一种细菌的过程中会被混淆。基因交换使追踪物种进化变得特别困难。微生物学家经常争论两种菌株是否属于同一物种，有些人会直接告诉你，整个细菌物种的概念是可疑的。
Aeromonas细菌，图片：Thinkstock
微生物学家Joerg Graf说：人们仍然在与细菌中的物种概念作斗争。传统上两个细菌有机体之间70%相同的DNA意味着它们属于同一个物种。这个问题值得研究，因为需要知道你在处理什么，而物种是一个好的标签。康州大学的研究人员和法国蒙皮埃尔大学的合作者们在《mBio》中展示了他们可以通过基因组分析有效地将不同种类的细菌分组到物种中。研究人员用两种计算机技术比较了56个菌株的基因组。他们使用的一种生物信息学技术模仿了一种更古老、杂乱的实验室程序，称为DNA-DNA杂交，这是多年来这种工作的黄金标准。另一种是平均核苷酸恒等式(ANI)，这是一种比较大型DNA块的前沿方法。
研究结果清楚地将许多气单胞菌菌株归类为不同的种类，并表明在国家卫生研究院(National Institutes of Health)拥有的一组公开可获得的遗传序列中，GenBank中有几株气单胞菌被错误命名。事实上，其中的两个似乎与其他的气单胞菌完全不同，完全可以作为新物种。研究人员还追踪了16个“管家基因”，这些基因对生存至关重要。追踪基因如何通过基因组改变位置，并利用这些变化来追踪每一个细菌谱系之间的分离。对于每一个基因，研究人员能够创建一个系统发育或“家族”树，将气单胞菌归类为不同的物种，然后展示这些物种是如何相互联系的。拥有相同或非常接近的管家基因版本物种可以被认为是兄弟姐妹，而拥有完全不同版本基因的物种则更像是远亲。系统发生树没有错，都非常一致地认为同一物种中有哪些细菌菌株。
该图表将56种气单胞菌分类为不同的种类(彩色阴影显示的是不同的种类)，基于它们拥有的相同基因的百分比。图表上的每条彩色线代表一个基因。这些节点表明，在该基因的进化过程中，物种何时分化。图中所示的10种基因关系树中的每一种都不同，这表明要找出不同种类的细菌之间的关系是多么困难。
这种细菌与气单胞菌属的其他物种之间的关系更为深入，在那里，树木开始出现差异。细菌不断的基因电话游戏似乎甚至包括了这些基本的基因。研究人员一直希望看到一种模式。例如一个分支可能具有人类所有的致病因子，另一个分支可能具有鱼类所有的病原体。然后研究人员可以寻找帮助人类或鱼类患上气单胞菌病的基因，或者预测新发现的物种是否会导致疾病。但是没有这样的运气，这些基因树都混合在致病细菌和无害细菌之间。Gogarten和Graf表示可能永远无法解开Aeromonas的家谱，但这项研究表明研究人员的生物信息技术很好，下一步将是分析Aeromonas基因组，以找到使它们能够在特定环境中生存的基因，比如吸血蝙蝠的肠道或人类血管。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《mBio》｜研究/来自：康涅狄格大学
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