在漫長時間的演化過程中，基因的多樣性使生物個體間對於環境產生了不同的適應力，天擇壓力的來源之一即是環境因子，兩個分隔的族群若是經歷相似的環境，天擇的結果很可能造成趨同演化，篩選出較具適應性的基因、族群，最後在基因體中留下共同的印記。那麼我們是否能從DNA序列當中找出蛛絲馬跡，更進一步回推生物過去經歷的環境？
密西根州立大學的 Richard E. Lenski [1] 試著利用「養很久的大腸桿菌」實驗去探討在實驗室環境中長期的演化在大腸桿菌基因體中留下的印記，觀察演化的動態變化，此研究計畫（Long-term Experimental Evolution, LTEE）至今已培養了超過五萬代的大腸桿菌，而本篇小新聞將報導，於2017年由 Lenski、加州大學的A. F. Bennett [2] 及德州大學的 J. E. Barrick [3] 團隊發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）的文章 [4]，為一項在 LTEE 計畫中的分支實驗，主要探討僅些微改變培養溫度是否足以在大腸桿菌的基因體上留下可辨識的突變標記，期望藉由找出這些標記去預測微生物曾經歷過哪些環境。
本次實驗的菌株源於 LTEE 實驗中已在 37℃ 培養兩千代的菌株，隨後於五種溫度環境下繼續培養兩千代，分別為 20℃、32℃、37℃、42℃ 及 Switch 組（即每日於 32℃ 及 42℃ 交替培養），每組包含六個族群，隨後從每個族群當中天選一個菌株進行基因體定序。
經統計只影響單一基因的突變（例如非同義點突變、小片段刪除複製或倒轉），發現在相同溫度條件培養下的菌株具備 17% 的相同的突變基因，但不同溫度條件下的菌株間僅有不到5%的突變基因相同，代表溫度的變化的確導致基因體內某些共通的改變。進一步分析發現，除了 Switch 組外，各溫度組內都能找到僅會集中在特定溫度組別的基因突變，這些突變的基因分別為 gltB（20℃）、nadR（32℃）、hslU（37℃）、iclR（42℃）及 mrdA（42℃），然而有趣的是，這些僅集中於特定溫度條件下出現的基因突變在 LTEE 計畫中培養兩萬代的菌株中也曾被觀察到。此外，研究也發現某些基因如 nadR 及 aceB 的突變對於所有實驗溫度的生存都是有利的，可能代表大腸桿菌在溫度的適應並沒有權衡（tradeoff）的現象。
本篇研究藉由培養並觀察大腸桿菌在實驗環境中對溫度的適應，發現能反映出培養溫度變化的基因突變標記。僅僅溫度的改變在一個長的時間軸裡都足以在基因體中留下一筆清晰、可追溯的紀錄。未來，或許有機會藉由基因體的追蹤，找出某些致病微生物過去生長環境的資訊，進而理解其演化的關鍵。
圖片說明：從源於 LTEE 實驗中已在 37℃ 培養兩千代的菌株，隨後於五種溫度環境下繼續培養兩千代。圖片來源：https://tinyurl.com/ybfguysu。
參考資料：
- The homepage of Richard E. Lenski Lab，
網址：https://tinyurl.com/yho8q2r - The personal profile of Albert F. Bennett，
網址：https://tinyurl.com/yapwjav4 - The homepage of Jeffrey E. Barrick Lab ，
網址：https://tinyurl.com/y7p5zyjo - Deatherage, D.E., Kepner, J.L., Bennett, A.F., Lenski, R.E., and Barrick, J.E. (2017). Specificity of genome evolution in experimental populations of Escherichia coli evolved at different temperatures. Proc Natl Acad Sci USA 114, E1904-E1912. https://doi.org/10.1073/pnas.1616132114
撰文│熊浩安
審稿│李其育、王振宇
修訂│黃子瑄
