Горизонтальный перенос генов (ГПГ) — передача генетического материала между организмами не по вертикали (от предка к потомку), а между отдельными клетками/штаммами. Основные механизмы: трансформация (взятие свободной ДНК), трансдукция (бактериофаги), конъюгация (плазмидный перенос), интегрирующие конъюгативные элементы, транспозоны и элементы геномных островов. Роль ГПГ в эволюции прокариот:
- Быстрое приобретение сложных адаптаций без длительной последовательной мутационной эволюции (например, метаболические пути, антибиотикорезистентность, вирулентные факторы).
- Модулярность эволюции: гены и операоны перемещаются как функциональные блоки, что ускоряет освоение новых ниш.
- Формирование пангенома: у вида может быть большой набор «накопленных» генов, которые не присутствуют во всех штаммах, что поддерживает внутривидовое разнообразие и быструю экологическую адаптацию.
- Смена экологической роли (комменсал → патоген, свободноживущий → симбионт/деструктор веществ и т. п.) за счёт приобретения ключевых генов или островов.
Примеры, когда ГПГ изменил экологическую роль организма:
- E. coli O157:H7 — приобретение генов шига-токсина (stx) через лямбдовидные бактериофаги превратило обычные кишечные штаммы E. coli в патогенные для человека штаммы, способные вызывать гемолитико-уремический синдром.
- Vibrio cholerae — заражение CTXφ-фагом, несущим гены холерного токсина (ctxAB), дало способность вызывать холеру; ранее непатогенные Vibrio могли стать эпидемиологически значимыми.
- Распространение плазмид с генами антибиотикорезистентности (например, β-лактамазами, карбапенемазами) среди Enterobacteriaceae и других групп — комменсальные или малоопасные штаммы приобретают устойчивость и могут выживать/доминировать в антибактериально нагруженных средах, что меняет их клиническую значимость и экологию.
- Rhizobium/Bradyrhizobium и «симбиотические острова» — перенос наборов nod- и nif-генов (иногда плазмидно или через остров) превращает свободноживущие бактерии в корневые симбионты, способные фиксировать азот и вступать в мутуализм с бобовыми.
- Pseudomonas и плазмиды/острова деградации ксенобиотиков — перенос генов разложения нефтепродуктов, полициклических ароматов и др. даёт бактериям способность колонизировать загрязнённые среды и стать ключевыми сапротрофами/биодеградантами.
- Передача фотосинтетических/пигментных генов между бактериальными линиями (в том числе между цианобактериями и другими группами) расширяет спектр светового поглощения и позволяет осваивать новые экологические ниши в водных экосистемах.
Вывод: ГПГ обеспечивает прокариотам молниеносную экологическую перестройку — от изменения питания и метаболизма до возникновения патогенности или новыми симбиотическими ролями — и потому является ключевым двигателем их эволюционной и экологической диверсификации.