Name: microbial core and pan-genome changes
Uploaded: 2026-03-12T13:57:40.000Z
Duration: 1 min 8 s
Channel: JoVE

Genomy mikroorganizmów zmieniają się z czasem poprzez przyrost i utrata genów.W obrębie gatunku wiele szczepów konsekwentnie dziedziczy wspólny zestaw genów znany jako genom rdzeniowy.Na przykład szacuje się, że gatunek bakteryjny X posiada około 5 podstawowych rodzin genów wspólnych dla analizowanych szczepów.Ponadto niektóre szczepy mogą zyskiwać dodatkowe geny, często poprzez poziomy transfer genów.Pangenom gatunku X składa się z pełnego zestawu podstawowych rodzin genów obecnych w badanych szczepach oraz dodatkowych genów występujących w wielu szczepach.U niektórych gatunków pangenom ciągle się rozszerza, gdy pojawiają się nowe zestawy genów.Te nabyte geny mogą być neutralne, a nawet szkodliwe, prowadząc do delecji genów powszechnych w genomach mikrobiologicznych, podczas gdy dobór naturalny zachowuje korzystne geny.Wszystkie geny podstawowe do przetrwania są częścią rdzenia genomu gatunku.

ewolucja genomu mikrobiologicznego

Ewolucja genomu mikroorganizmów to bardzo dynamiczny proces, kształtowany przez ciągłe przybieranie i utratę genów między gatunkami i szczepami. Ta elastyczność genomowa pozwala mikroorganizmom szybko adaptować się do presji środowiskowej i interakcji z innymi organizmami. Kluczowe dla zrozumienia tej różnorodności jest rozróżnienie między genomem rdzeniowym a pan-genomem.Rdzeń genomu składa się z genów wspólnych dla wszystkich pobranych szczepów gatunku, reprezentujących niezbędne funkcje niezbędne do fundamentalnych procesów komórkowych. Na przykład szacuje się, że Salmonella enterica zawiera około 2800 genów rdzeniowych, choć liczba ta różni się w zależności od analizowanych szczepów. Natomiast pangenom obejmuje każdy gen występujący we wszystkich szczepach, włączając zarówno geny rdzeniowe, jak i specyficzne dla szczepu. Niektóre serowary, takie jak S. enterica Typhimurium, dostarczają unikalnych genów rozszerzających pan-genom gatunku.Poziomy transfer genów (HGT) jest głównym czynnikiem napędzającym pozyskiwanie genów, wprowadzając nowe cechy umożliwiające mikroorganizmom odporność na antybiotyki, zajmowanie nowych nisz lub metabolizowanie nowych substratów. Jednak wiele nabytych genów nie przynosi korzyści i może zostać usuniętych poprzez delecje genomowe lub dryf genetyczny, co pomaga utrzymać uporządkowane genomy w wielu liniach mikrobiologicznych. Jednocześnie niektóre mikroorganizmy doświadczają ekspansji genów, gdy ich nisze ekologiczne wymagają szerszych zdolności metabolicznych.Genomika porównawcza wykazała, że wszystkie genomy bakterii i archei dzielą niewielki zestaw około 30–60 uniwersalnie zachowanych rodzin genów. Geny te kodują podstawowe funkcje, takie jak replikacja DNA, transkrypcja, translacja oraz podstawowe szlaki metaboliczne, odzwierciedlając głębokie ograniczenia ewolucyjne.Razem pozyskiwanie, utrata i selektywne zachowanie genów pokazują, jak genomy mikrobiologiczne pozostają zarówno niezwykle adaptowalne, jak i zasadniczo ograniczone przez niezbędne wymagania biologiczne.

Ewolucja genomu mikrobiologicznego

Microbial genome evolution is a highly dynamic process shaped by continual gene gain and loss across species and strains. This genomic flexibility allows ...

https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/40723/40723_article_thumb_40723.jpg

Education

JoVE Core

Microbiology

Mikrobiologia

Unit

Jednostka

Microbial Evolution

Ewolucja mikroorganizmów

KEY TERMS AND CONCEPTS

KLUCZOWE TERMINY I POJĘCIA

Evolution of Microbial Genome

microbial core and pan-genome changes

Microbial genomes change through gene gain and gene loss. These changes help microbes adapt to new environments and to other organisms they live with. In many species, genome evolution is fast and ongoing.

A key idea is the difference between the core genome and the pan-genome. The core genome is the set of genes shared by all sampled strains of a species. These genes support basic cell functions. For example, Salmonella enterica has about 2,800 core genes, although the exact number can change with the strains studied.

The pan-genome includes every gene found across all strains of a species. It contains both the core genes and genes found only in certain strains. In Salmonella enterica, strains such as S. enterica Typhimurium add unique genes that expand the pan-genome.

Horizontal gene transfer, or HGT, is a major way microbes gain new genes. It can give them traits that help them resist antibiotics, use new nutrients, or live in new habitats. Some acquired genes are not useful and may later be removed by genome deletions or genetic drift, which helps keep many microbial genomes streamlined. In some niches, however, microbes expand their gene sets when they need wider metabolic abilities.

Comparative genomics has also shown that bacterial and archaeal genomes share a small group of about 30 to 60 gene families. These conserved genes carry out DNA replication, transcription, translation, and core metabolism. Together, gene acquisition, gene loss, and selective retention show how microbial genomes stay flexible while still keeping essential biological functions.

Microbial Core and Pan-Genome Changes

origin of cellular life

How Early Cells Got Their Start

Early cellular life began under the harsh conditions of early Earth, where simple chemicals could form more complex organic molecules. Experimental evidence supports the idea that RNA nucleotides, amino acids, and lipids could arise spontaneously in this environment. Volcanic activity, strong UV radiation, and an atmosphere with little or no free oxygen likely helped drive these reactions. Hydrothermal vents on the ocean floor are considered one likely setting for the first life forms. These...

origin of photosynthesis

How Photosynthesis Changed Earth

Photosynthesis changed Earth’s atmosphere and made complex life possible. It began about 3.4 to 3.8 billion years ago, when the first photosynthetic organisms used light energy to build organic compounds. These early organisms were anoxygenic phototrophs, which means they made food from light but did not release oxygen. Early photosynthesis used hydrogen sulfide (H2S) or ferrous iron (Fe2+) as electron donors instead of water. Because of that, it did not produce molecular oxygen (O2) as a...

evolutionary processes in microbes

How Microbes Gain New Traits

Microbes gain new traits through fast genetic change. Their short generation times help evolution happen quickly. Mutation, horizontal gene transfer, recombination, and genetic drift all contribute to this process. Together, these mechanisms help microbial populations adjust to changing environments. Horizontal gene transfer, or HGT, moves genes between different species. It happens in three main ways: conjugation, transformation, and transduction. Conjugation requires direct cell-to-cell...

evolution of new traits in microbes

Microbial Adaptation in Changing Environments

Microbial adaptation in changing environments can happen very quickly. Microorganisms often evolve fast because they have large population sizes and short generation times. In the lab, these changes can sometimes be measured within days. Natural selection acts on standing genetic variation, which is the genetic diversity already present in a population. When conditions change, helpful traits can be kept and increased because they improve fitness. This lets microbes respond to new pressures...

evolution of microbial genome

Microbial genomes change through gene gain and gene loss. These changes help microbes adapt to new environments and to other organisms they live with. In many species, genome evolution is fast and ongoing. A key idea is the difference between the core genome and the pan-genome. The core genome is the set of genes shared by all sampled strains of a species. These genes support basic cell functions. For example, Salmonella enterica has about 2,800 core genes, although the exact number can change...

microbial phylogeny

Reading Microbial Family Trees

Reading microbial family trees helps scientists study how microorganisms are related. These trees are important in microbial ecology and taxonomy. They use molecular sequences such as DNA, RNA, or proteins to compare bacteria and archaea and trace genetic changes over time. A phylogenetic tree has tips, branches, and nodes. The tips are the species that are sampled or still alive. The branches show evolutionary paths, and branch length reflects the number of genetic changes between nodes.

phylogenetic species concept in microbiology

phylogenetic-species-concept-in-microbiology

How DNA Defines Microbial Species

The phylogenetic species concept helps define microbial species by looking at DNA and evolutionary relatedness. It focuses on shared ancestry and genetic traits that can be diagnosed in different organisms. This approach is especially useful in microbiology, where other species concepts often do not work well. Traditional morphological and biological species concepts rely on body form or reproduction. Those methods can fall short for microbes because many reproduce asexually, show little...

key terms and concepts

Learn how microbial genomes change through gene gain, gene loss, HGT, core genes, and pan-genomes using Salmonella enterica as an example.

Microbial Core and Pan-Genome Changes | JoVE K12

JoVE Core Microbiology provides an engaging introduction to the microbial world and its influence on health, industry, and the environment. This comprehensive collection covers key concepts such as microbial structure, metabolism, genetics, and ecology. It introduces essential laboratory techniques and microscopy methods through visually engaging animations. Corresponding scientist-in-action videos bridge classroom concepts with real-world research and applications.

microbiology

Microbial Core and Pan-Genome Changes

Description

Transcript

Tags