多细胞进化与大氧化事件和蓝藻多样性的增加同时发生

多细胞进化与大氧化事件和蓝藻多样性的增加同时发生

蓝藻是最多样化的原核类群，其形态由单细胞到多细胞的丝状形式，并且包括组成和功能上的晚期分化。表明蓝藻在大约24.5-23.2亿年前的大氧化事件中产生了大气中的氧气，因此急剧的改变了星球上的生命。然而关于蓝藻随时间的演化、多细胞的起源、蓝藻的分化和大气氧的产生之间可能的相互作用知道的很少。我们利用贝叶斯松散钟对代表全部已知的这个门的多样性的16S RNA序列数据集估计了现存蓝藻的分歧时间。我们检验了多细胞的演化是否与大氧化事件重叠，以及多细胞是否与蓝藻的分化速率的明显变化有关。我们的结果表明蓝藻在大气氧产生之前就已经起源了。多细胞形式的演化与大氧化事件的开始和分化速率的增加同时发生。这些结果表明多细胞可能在启动蓝藻在大氧化事件中演化起到了关键作用。

蓝藻是形态学上的一种最多样化的原核生物的群体。生长形式从单细胞到多细胞，也包括可逆的水平和晚期的细胞分化。这些多样的生长策略使得蓝藻能生存在地球上几乎每一个陆地和水里的栖息地。蓝藻根据他们的形态一般被分为五个部分，第一、二部分适用于单细胞物种，第三到五部分描述了多细胞物种。第四到五部分的物种可能产生晚期分化的细胞。尽管这些部分是有用的，然而分子证据表明形态和遗传多样性不会总是一致的。分子系统发育表明五个部分可能没有一个是单起源，并且在单细胞与多细胞之间的几种转变已经发生了。根据化石记录，现存的蓝藻的各种不同的形态超过20亿年前。根据蓝藻是负责大气氧含量的积累（被称为大氧化事件）的这个假说，这个门被认为早在24.5-23.2亿年就存在。尽管蓝藻产生的时间结构被普遍接受，然而惊奇的是关于形态革新的时间，如第一次出现多细胞的时间知道的很少。如果有的话，这些革新在门的多样化中的影响也不清楚。大气氧的产生和蓝藻之间联系的这个假说也不能充分的理解：可能与门的形态变革有关的大氧化事件是紧随第一次蓝藻的出现，还是发生的要晚？

先前已经有过试图估计蓝藻的起源和他们的形态的研究。然而可能是偏向分类的选择，特别是缺少蓝藻系统发生的早期的分支，可能导致结论不完整。系统发生的证据表明多细胞的进化在蓝藻的历史上非常早，质疑了多细胞是这个门里的一个衍生状态的观点。尽管如此，还是留下了重要的问题：（1）蓝藻和他们的进化支是什么时候进化的？（2）多细胞第一次出现时什么时候？（3）与大约24.5-23.2亿年前的大氧化事件有关的这些转变是怎样的？ 大氧化事件的深远影响不能被充分的强调：它通过使需氧生命进化改变了地球的历史。不像其他的真细菌类群，蓝藻提出了研究化石记录。然而，化石是有限的，目前仅仅是进化支的最小年代的估计。因此化石数据和分子系统发生方法的结合已经被改进了，在分子年代测定分析中使用仔细选择的校准先验可以为当时的蓝藻进化和生命的早期历史提供新的见解。目前，蓝藻的可用的基因组数据偏向于单细胞类群，不能有效的代表已知的这个门的多样性。因此，我们根据16S RNA的序列重构系统发生树，这些序列是根据先前描述的系统发生的不同小心的抽样。我们进一步估计了蓝藻的分歧时间，并提出了化石记录的不同的解释作为校正的先验。然后我们评估了大氧化事件是否与今天现存的主要的蓝藻形态类型的发育同时发生。最后我们整合了281个物种和4194个菌株的信息，检验了多样化速率的改变。我们的结果支持在25亿年前，早期的蓝藻的起源接近太古代末的理论。多细胞的进化与大氧化事件的开始同时发生，和蓝藻多样显著增加一致。

结果：

系统发生分析：为了推断蓝藻早期的进化，我们利用16S rRNA序列数据重构了贝叶斯系统进化树。谱系基因组方法可能给出让人误解的结果，因为迄今为止可用的蓝藻基因组序列大量的偏向单细胞物种。更重要的是被全测序的物种很少有和系统发生紧密相关，因此这些物种间的比较不可能为蓝藻多细胞古老的起源提供任何信息。先前的研究中，从一个分类单元子集中抽取1220个蓝藻序列重建了系统发生树。这些序列代表了被研究的这个门的多样性。

我们使用这个子集加上代表可能独特的与我们群体分离的特殊物种的G40这个菌株。我们的无约束的系统发生的结果与先前的发现一致。这驳回了先前描述的几个形态的群体是单系。

进一步，无类囊体蓝藻（Gloeobacter violaceus）被认为是所有其他蓝藻的姐妹群。三个主要的群（进化支E1，E2和群体AC）能被区别开(Fig. 1, and Figs. S1 and S2)。他们一起代表今天生活的蓝藻的主要类群。

所有的群体先前已经被定义，用进化支E1和E2包括所有形态学部分的物种。物种属于形态学部分四和五唯一发生在E1中。群体AC包含单细胞海生的微笑浮游生物（一部分）和一些未分化的多细胞物种（第三部分）。

分歧时间的估算：随着蓝藻种系发生的分歧时间根据贝叶斯松散分子钟使用两种不同的不相关速率进化模型。速率的对数正太分布模型已经超过了指数的速率分布。因此，我们的第一个模型假定速率是对数正态分布。结果的鲁棒性用第二个模型假定指数分布的速率来检验。对于每一个钟模型执行一组8个不同的分析来获得先前假设的宽的范围来解释和评估它们对结果的影响(Table 1 and Table S1)。时间分歧分析 7的贝叶斯一致树在图一中提出，包括重要节点的年代的估计（95%最高的后验密度,HPD）通过分析1,3,5，7给出。中间节点年代（m）在图2中显示。并且提出95%的高后验密度，在表1和附表2.

尽管分析考虑了蓝藻年代节点变化，但是我们的结论对于不同的校正先验是鲁棒的。所有的分析表明现存的蓝藻起源于大氧化事件（24.5亿年）之前。多细胞最可能沿着产生节点3的分支起源。对于这个节点，分析表明中值年代在大氧化事件之前或者开始（在23.6亿年前）。（表1和附表1）谱系的祖先产生的节点3在我们的分析中也是校正的点（表1）。图3比较隐含的校正点的先验概率分布和节点3的后验概率，因此评价了先验假设影响结果的程度。尽管先验假设提出关于大约22亿年大氧化事件之后的年代的一个更高的概率。我们的数据包含很强的信号抵消了先验并且表明用节点3代替了旧的中值节点年代，节点3在24.2亿年到30.8亿年之间(Fig. 3 and Table 1)，这是在大氧化事件之前。进而，估计群体E1，E2和AC大约在大氧化事件结束时已经起源了。这些群体有现存的大多数蓝藻组成（281个物种的91%和4194个菌株的88%）。

多样化速率的改变：

为了确定GOE或多细胞可能对蓝藻的纯粹的分化影响，我们检验了蓝藻谱系中多样化速率是否是恒定的。由于先前的工作表明蓝藻的分类学需要修正，我们合并了物种和菌株信息来进行分析。进化支包含许多物种和许多菌株(Table S3)。多样化速率估计的结果表明不管使用的物种数量或者菌株数量如何，得到的模型相似(Table S4)。在多样化速率中检测到了两个显著的变化。在多细胞进化的节点3或4上，多样化速率对于UCLN模型构建的树增加了平均数的8.44倍（标准差为1.76），对于UCED模型构建的树增加了平均数的5.24倍（标准差为

1.89）(Table S4)。随后，在节点33或34，多样化的速率对于用UCLN模型构建的树减少0.55的一个系数，对于用UCED模型构建的树，系数减少0.22.

讨论

单基因的限制：物种范围内的遗传物质的交换对活的有机体进化历史的影响提出了一个挑战。系统发育重建合并了多个基因有助于降低来自被水平基因转移影响的基因的化石信号的恢复的风险。然而，尽管基因组数据积累了，但是他们几乎不能获得用16S rRNA代表的微生物多样性的广度。由于他的大小和保守性，16S rRNA已经被用来作为可靠的系统发生关系的测量手段。在基因组进化上比一般的假设与水平基因转移结合的影响可能更小，甚至小于16S Rrna, 这些事实支持了小的核糖体亚基在系统发生上的应用是有用的。这里我们既不排除也不证明物种间水平基因转移影响16S rRNA的可能。还没有在蓝藻属发现对16S rRNA

的

水平基因转移支持的实例。我们在我们的研究中依赖16S rRNA序列因为基因组的方法偏向于单细胞类群，将不能覆盖全部已知的蓝藻门的多样性，因此在构建蓝藻早期的进化时失败了。然而，我们强烈的鼓励基因组测序项目，这将帮助我们恢复通过16S rRNA显示的多样性，并且改进蓝藻系统发生的重建。

多细胞的进化和可能的结果：在原核生物中多细胞的简单的形式发生在不同的类群中。在放线菌和粘细菌中，通过细胞聚合的多细胞生长形式是他们生活史的一部分。在蓝藻门、绿弯菌门和一些变形菌门中多细胞是丝状形式。这些结果是通过细胞分裂和附着实现的，这将导致丝状伸长。丝状中定向生长所必需的是细胞极性识别和细胞通讯。丝状蓝藻包括简单的形式像伪项圈藻属和瘦鞘丝藻属显示出了定向的生长，在细胞分化的平面上描绘出了一个直角的生长方向。总之细胞间的通讯和物质的交换在蓝藻中被发现了，为分工和晚期细胞分化的进化提供了一个进化基础。

我们的结果表明多细胞的起源、大氧化事件的开始和蓝藻多样性速率的增加同时发生。另外，尽管不能完全确定他们的精确时间，但是根据理论和实验的证据可以将他们联系起来。多细胞的转变在有机体的复杂性上表现出一个重要的变化。多细胞能够提供各种各样的优点。尤其是丝状的生长能够改善运动，由于规模效益，细胞的合作可能增加适合度。实验研究已经表明多细胞考虑到选择压是可能进化的相对较快，而且与单细胞相比能够提供代谢适合度优势。多细胞物种适合度的增加可能使得蓝藻在太古代末频率更高、分布更广泛。因此增强了氧的产生。氧的积累可能产生新的生态学的机会，围绕多细胞进化的时间，多样性速率的增加表明蓝藻可能用来创造新的适应性机会。随后，在大氧化事件末，三个进化支进化形成了今天生存的主要蓝藻。

早期的地球历史和化石记录

我们发现蓝藻存在的时间比先前预料的更长，这与早期地球历史的重建是一致的。推算地球的起源追朔到45亿年前。随后，冷却下来并分成地核、地幔、地壳。在42到38亿年前生命的永久存在是不可能的，因为年轻的地球被小行星强烈的撞击，化石证据不会早于34.5亿年。来自太古代早期的这些原核生物化石被鉴定为两个区域：巴伯顿绿岩带，南非（大约32-35亿年）以及皮尔巴拉克拉通，澳大利亚西部（大约29到36亿年）。来自这些地方的最老的化石是球形的，可能是极端嗜热的细菌和不生氧的光合作用的原核生物，都无大约为34.5亿年之久。对于生命的进一步的证据包括34亿年之久的遗迹化石（PC），34.2亿年的变形微生物垫（BGB）和30亿年的生物膜。最早的明确的蓝藻化石追朔到20亿年，来自于两个地方：冈弗林特铁建造和贝尔彻亚群（都在加拿大）。尽管认识到微生物化石组成上有差异，但是燧石包括丝状和贝壳状的的物种。Gunflintia grandis和Gunflintia minuta被鉴定为来自冈弗林特铁建造的丝状蓝藻化石，Halythrix sp.被描述为来自贝尔彻亚群的颤藻化石。比20亿年更年轻的蓝藻化石更广泛的分布，在图1中有各种各样的例子.太古代化石发现可能潜在的描绘蓝藻的遗迹但是不能被指定为毋庸置疑。可能的蓝藻化石在南非的25.2-25.5亿年前的燧石里已经发现了。很可能的单细胞和丝状蓝藻化石是分布在26亿年和32.6亿年的燧石中。尽管先前描述的支持蓝藻存在于大约27亿年的标记被排除了，但是最近发现的证据有利于早期蓝藻的起源。我们的分子年代测定结果将蓝藻单细胞和多细胞的起源放在大氧化事件之前。因此表明这些化石的一些实际上能够代表近缘的蓝藻系。

最近的研究表明氧的积累发生在大约20-30亿年大大氧化事件之前。现在的证据来自化石的记录，地球化学的调查研究和我们的分子分析一起支持蓝藻的起源明显在大氧化事件之前。接近大氧化事件的多细胞的起源能需要适合度优势使得蓝藻多样性和丰度增加。这反过来讲明显的影响净氧气生产。

结论：蓝藻是地球上的一种形态最多样的原核生物类群。它引起了24.5亿年开始的大氧化事件。但是关于他们起源的争论仍然在继续。各种形状的化石和地理化学证据已经积累了，

支持蓝藻起源于24.5亿年前。这里，我们应用贝叶斯系统发生分析使用松散分子钟和校正先验的不同组合。就大氧化事件而言，我们估计现存的蓝藻的起源和他们的优势的形态。尽管不同分析产生的年代估计值在HDP有点不同，粗略的说明关于蓝藻的起源和他们的形态能被阐述：（1）蓝藻起源于大氧化事件之前。（2）多细胞与氧气开始产生同时发生。（3）三个进化支代表现存的蓝藻的大多数在大气氧积累后进化不久。