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多团队合作获得有关“线粒体起源世纪之争”的突破性研究成果

已有 739 次阅读 2020-7-14 11:13 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2020年7月13日晚23时,南方科技大学海洋科学与工程系张传伦课题组张传伦与范陆、同济大学附属普陀人民医院(筹)生物信息系朱瑞新课题组,联合德国杜塞尔多夫大学WilliamF.Martin等,在《自然—生态与进化》(Nature Ecology & Evolution)在线发表关于真核生命起源的研究论文——“基于系统性物种抽样的系统发生学分析证明线粒体起源于Alpha变形菌(Phylogeneticanalyses with systematic taxon sampling show that mitochondria branch withinAlphaproteobacteria),揭示了真核线粒体与Alpha变形细菌之间进化关系上的最新细节。

 

地球上的生命形态包括细菌(Bacteria)、古菌(Archaea)和真核生物(Eukarya)三大类。


这三大类生命的起源方式,是根本性的世界级科学问题之一。其中,细菌和古菌可能起源于40-35亿年前的地球。

 

而早在1905 年,Merechowsky就提出了线粒体起源的“内共生”假说。


目前的广为接受的观点认为,真核细胞是在约20-18亿年前由一个细菌细胞融合进一个古菌细胞产生的;被融合的细菌与古菌宿主形成了内共生关系,并逐渐进化成了现代真核生物中最重要的细胞器——线粒体。

 

线粒体不但是有氧呼吸生物的能量工厂,更是与人类的疾病和衰老密切相关。研究与真核细胞起源直接相关的细菌和古菌类群,能够帮助我们了解真核生命起源的时间、化学过程、代谢机制和古地球生态,更能揭示新生命形式形成的细节,为合成生物学领域的技术创新提供重要线索。

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图1. 真核细胞起源于约20亿年前古菌和细菌细胞的融合(图片改编自:Roger 2017 Curr Biol)。

  

Alpha变形细菌是否被阿斯加德(Asgard)古菌融合是目前真核生命起源研究的焦点问题(如图1)。


其中,对于线粒体是否起源于Alpha变形菌,以及起源于哪类Alpha变形菌一直存在激烈争论。


由于进化时间久远(18亿年以上),现有的分子进化学证据非常有限。


在当前系统发育分析的模型框架下,分子序列的异质性使得进化分析容易受到系统性误差的巨大影响,包括长枝吸引效应和GC偏差引起的趋同现象,最终造成得到假阳性进化关系。

 

2018年发表在《自然》期刊上的一项研究(Martijnet al. 2018)采用的“去除异质性位点”等降低分子异质程度的方法,在优化模型拟合度的同时,却也增加了信息丢失和模型过拟合的风险,有必要对其结果的可信度进行严格检验(如图2)。

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图2. 2018年Matrijn等人发表在Nature的研究认为线粒体起源于所有Alpha变形细菌分化之前,但这一结果有可能是外群的长枝效应导致的,其可靠性引发了广泛争议(图片源自Martijn等人的Nature原文)。

  

2018年8月,在德国莱比锡召开的国际微生物生态学协会(ISME)年会上,张传伦讲席教授主持关于“真核生命起源”的前沿问题专家讨论会,朱瑞新教授作为共同发起人和受邀专家于主席台参与讨论。

 

讨论会后,中德联合研究团队正式发起了有关线粒体起源的系统发生学研究。


研究者首先系统性地检验了“去除异质性位点”方法所引发的不确定性结果,证明了这种当下最为流行的数据预处理方法在解答线粒体起源问题时具有极大的不确定性。

 

研究者随后开创性地采用了系统性物种替换和多方法相互验证的策略,通过对100多个贝叶斯系统发育树的结果进行比较统计,结合模型拟合度检验,在保持了进化信息完整性的同时,降低了系统性误差。


这些创新性方法首次定义了Alpha变形菌四个进化主类群,而线粒体则起源于一个含有各类海洋细菌和内共生菌的AlphaIIb分支(如图3)。

 

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图3. 本研究发现,线粒体起源于Alpha变形细菌的IIb分支,与立克次氏体目(Rickettsiales)的内共生菌和一些尚未被鉴定的海洋浮游菌具有共同的祖先。

  

这一发现对有关线粒体起源的系统发生学的方法问题进行了系统梳理,并将目前争论不休的线粒体起源问题重新拉回到Alpha变形菌的框架下来。


该论文的发表为接下来寻找线粒体的最近祖先的研究提供了可靠的方法学基础。

 

相关论文信息:

DOI:10.1038/s41559-020-1239-x




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1 张成岗

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