Prochlorococcus-säteilijöissä tapahtunutta genomin pienenemistä ei ole tietojemme mukaan toistaiseksi havaittu missään muussa vapaasti elävässä prokaryootissa. Koska Prochlorococcus sp. MIT9313:n genomin koko on hyvin samankokoinen kuin Synechococcus sp. WH8102:n (2,4 megabaasiparia (Mbp)) sekä useiden muiden merellisten Synechococcus spp. lajien genomin koko (M. Ostrowski ja D. Scanlan, henkilökohtainen tiedonanto), on perusteltua olettaa, että kaikkien Prochlorococcus-lajien yhteisellä esivanhemmalla oli myös genomin koko noin 2,4 Mbp. Tämän hypoteesin mukaan MED4:ssä tapahtunut genomin pieneneminen vastaisi noin 31 prosenttia. Vertailun vuoksi mainittakoon, että hyönteisten endosymbiontti Buchneran genomin pieneneminen verrattuna rekonstruoituun esi-isän genomiin on noin 77 prosenttia. P. marinus SS120:n genomin – ja varsinkin MED4:n genomin – katsotaan olevan lähes minimaalinen vapaasti elävälle oksyfotrofiselle organismille. Näyttäisi siltä, että näiden organismien genomin supistuminen ei todennäköisesti voi edetä alle tietyn rajan, joka vastaa geenipoolia, joka sisältää kaikki biosynteettisten reittien ja taloustoimintojen olennaiset geenit (mukaan lukien luultavasti suurin osa tässä tutkimuksessa tunnistetuista 1 306:sta nelisuuntaisesta ortologisesta geenistä) sekä useita muita geenejä, mukaan lukien suku- ja markkinarakokohtaiset geenit. Esimerkiksi MED4 koodaa useita fotolyaasiin liittyviä proteiineja, muutamaa spesifistä ABC-kuljettajaa (esimerkiksi syanaattia varten; ja tietoja ei ole esitetty). Nämä spesifiset yhdisteet saattavat olla kriittisiä selviytymiselle ylemmässä vesikerroksessa, joka saa suuria fotonivirtoja, UV-valoa ja on ravinnepuutteinen, mutta eivät niinkään elämälle syvemmällä vesipatsaassa.
Jos sekä Prochlorococcus-linjoissa että isäntä-riippuvaisissa organismeissa on tapahtunut kiihtyneeseen korvautumisnopeuteen liittyvää genomipienennystä, näiden ilmiöiden on täytynyt johtua hyvin erilaisista syistä, sillä tuloksena syntyneet näiden kahden organismityypin geenirepertuaarit eroavat toisistaan suunnattomasti. Endosymbionttien ja pakollisten patogeenien genomikehityksen taustalla on kaksi pääprosessia, joilla on toisiaan vahvistavia vaikutuksia genomin kokoon ja kehitysnopeuteen. Koska nämä bakteerit ovat rajoittuneet isäntänsä sisälle, niiden populaatiokoko on pieni, ja ne joutuvat säännöllisesti pullonkaulaan jokaisessa isäntäsukupolvessa tai jokaisen uuden isäntätartunnan yhteydessä. Näin ollen ne kokevat voimakasta geneettistä ajautumista, johon liittyy substituutionopeuden lisääntyminen. Tämä kiihtyvyys johtaa siihen, että proteiineja koodaaviin geeneihin ja rRNA-geeneihin kertyy satunnaisesti hieman haitallisia mutaatioita. Tämä geneettinen ajelehtiminen tehostaa genomin pienenemistä inaktivoimalla ja sitten eliminoimalla mahdollisesti hyödyllisiä mutta tarpeettomia geenejä. Näiden geenien joukossa on ollut useita DNA-korjausgeenejä, joiden katoaminen on voinut lisätä mutaatiomäärää entisestään . Lisäksi useisiin geeneihin voi kohdistua puhdistusvalinnan lieventämistä, mikä heikentää geenin toiminnan ylläpitämisen tehokkuutta. Tämä rentoutuminen vaikuttaa erityisesti geeneihin, joista on tullut hyödyttömiä, koska ne ovat tarpeettomia isäntägeenissään, kuten aminohappojen, nukleotidien, rasvahappojen ja jopa ATP:n biosynteesiin osallistuvat geenit . Valintapaine vähenee myös geenien osalta, jotka osallistuvat ympäristön aistimiseen ja säätelyjärjestelmiin, kuten kaksikomponenttijärjestelmiin, koska isännän tarjoama ympäristö on paljon puskuroituneempi .
Vapaasti elävässä Prochlorococcus-suvussa kenttäpopulaatioiden erittäin suuri koko merkitsee sitä, että nämä populaatiot altistuvat paljon pienemmälle geneettiselle ajelehtimiselle ja niiden genomit paljon voimakkaammalle puhdistautuvalle valikoitumiselle kuin endosymbionttien ja patogeenien genomit . Näin ollen havaittu nopeutunut evoluutionopeus johtuu luultavasti pelkästään mutaationopeuden kasvusta, joka puolestaan johtuu todennäköisesti DNA:n korjausgeenien häviämisestä, vaikka onkin huomattava, että P. marinus SS120:stä puuttuu vain kaksi tällaista geeniä (taulukko 3). Havaitsimme samanlaista aminohappojen substituutioiden kiihtymistä kaikissa toiminnallisissa luokissa (kuva 4). Tämä havainto sopii paremmin yhteen mutaationopeuden globaalin kasvun kanssa kuin löysän valinnan kanssa, sillä jälkimmäistä ei todennäköisesti tapahdu samassa määrin kaikilla lokuksilla. Oletamme myös, että suurin osa Prochlorococcuksen proteiineissa tapahtuneista aminohapposubstituutioista on neutraaleja, eli ne eivät ole muuttaneet proteiinin toimintaa. HL-klaadin populaatiot, joilla on MED4:n tavoin kaikista Prochlorococcus-lajeista eniten johdettuja proteiinisekvenssejä, näyttävätkin olevan runsaslukuisimpia fotosynteettisiä organismeja lauhkean ja trooppisten alueiden välisten valtamerten yläkerroksissa. Tällainen ekologinen menestys olisi tuskin mahdollista organismeille, joita haittaavat lukuisat lievästi haitalliset mutaatiot, varsinkin kun otetaan huomioon, että useimmat geenit ovat yksikopioisia, joten geenien toiminnan kompensointi ei yleensä ole mahdollista. Puhdistavan valinnan korkean tason ylläpitämisen vaikutus haitallisten substituutioiden torjuntaan on erityisen ilmeinen rRNA-geeneissä. Toisin kuin proteiineja koodaavien geenien kohdalla, suhteelliset nopeustestit eivät osoittaneet merkittäviä eroja 16S rRNA-geenien evoluutionopeuksissa neljässä meripikosyanobakteerigenomissa, ja näin ollen ei ole todisteita siitä, että SS120:lle tai MED4:lle olisi voinut kertyä mutaatioita, jotka olisivat horjuttaneet niiden 16S rRNA-molekyylin sekundaarirakennetta. Yksi huomionarvoinen seuraus proteiineja koodaavien geenien evoluutionopeuden kiihtymisestä Prochlorococcuksessa on se, että proteiinisekvensseihin perustuvat fylogeneettiset rekonstruktiot ovat vinoutuneita. Tämä johtaa todellakin paljon pidempiin haaroihin näille kahdelle kannalle kuin MIT9313:lle. Tuloksena oleva puun topologia ei useimmiten tue 16S rRNA -geenin avulla saatua topologiaa, jonka osalta molekyylikellohypoteesi pitää analyysiemme mukaan paikkansa. Näin ollen rRNA-geenit ovat todennäköisesti niitä harvoja geenejä, jotka antavat luotettavia arvioita Prochlorococcus-kantojen välisistä fylogeneettisistä etäisyyksistä.
Jos Prochlorococcus-kantojen genomin pienenemisen pääasiallisena aiheuttajana ei ole ollut puhdistavan valinnan lieveneminen eikä geneettisen ajelehtimisen lisääntyminen, vaihtoehtoinen mahdollisuus on, että jälkimmäinen voisi olla seurausta valikoivasta prosessista, joka suosii Prochlorococcus-kantojen sopeutumista ympäristöönsä. Prochlorococcus-lajien ilmeisesti parempi ekologinen menestys oligotrofisilla alueilla verrattuna niiden lähisukulaiseen Synechococcukseen viittaa vahvasti siihen, että Prochlorococcuksen genomin koon pieneneminen voisi tarjota ensin mainitulle kilpailuetua. Näiden kahden organismin geenikompleksien laajoissa vertailuissa on nimittäin havaittu hyvin vähän esimerkkejä – ainakin niiden geenien joukosta, joiden toiminta tunnetaan – sellaisten erityisten geenien esiintymisestä MED4:ssä, jotka voisivat selittää sen paremman sopeutumisen (tietoja ei ole esitetty). Yksi merkittävä poikkeus on se, että Prochlorococcuksessa, mutta ei Synechococcuksessa, esiintyy flavodoxiinia ja ferritiiniä, kaksi proteiinia, jotka mahdollisesti antavat Prochlorococcukselle paremman vastustuskyvyn rautastressiä vastaan. Tämän lisäksi Synechococcus vaikuttaa enemmän generalistiselta, erityisesti typen tai fosforin ottamisen ja assimilaation osalta, ja sen pitäisi a priori soveltua paremmin kilpailun ylläpitämiseen. Näin ollen oletamme, että Prochlorococcuksen menestyksen avain ei niinkään piile tietyn kompleksin tai reitin kehittämisessä, jotta se selviytyisi paremmin epäsuotuisista olosuhteista, vaan pikemminkin sen genomin ja soluorganisaation yksinkertaistamisessa, minkä ansiosta tämä organismi voi säästää huomattavasti energiaa ja solujen ylläpitoon tarvittavaa materiaalia.
Jo pelkkä genomin koon pienentäminen itsessään on potentiaalinen lähde huomattaviin säästöihin solun kannalta, koska se vähentää typen ja fosforin määrää, jotka ovat kaksi erityisen rajoittavaa elementtiä valtameren yläosassa ja jotka ovat välttämättömiä esimerkiksi DNA-synteesissä. Toinen etu on, että se mahdollistaa samanaikaisen solun tilavuuden pienenemisen. Aiemmin on esitetty (ks. esim. ), että pieni solutilavuus antaa kasviplanktonorganismille kaksi valikoivaa etua vähentämällä itsestään tapahtuvaa varjostusta (pakettivaikutus) ja lisäämällä solun pinta-alan ja tilavuuden suhdetta, mikä voi parantaa ravinteiden ottoa. Ensimmäinen etu parantaisi LL-kantojen kuntoa, kun taas toinen etu tarjoaisi etulyöntiaseman HL-kannoille, jotka elävät ravinneköyhissä pintavesissä. Solunjakautuminen on edullisempaa pienelle kuin suurelle solulle. Näiden havaintojen perusteella oletamme, että Prochlorococcus-säteilyn genomin pienenemisen tärkein liikkeellepaneva voima on ollut valinta taloudellisempaan elämäntapaan. Vinouma kohti A+T-rikasta genomia MED4:ssä ja SS120:ssä on myös sopusoinnussa tämän hypoteesin kanssa, sillä sitä voidaan pitää keinona säästää typessä. AT-emäspari sisältää nimittäin seitsemän typpiatomia, yhden vähemmän kuin GC-emäspari.
Tämän hypoteesin pohjalta ehdotamme mahdollista skenaariota Prochlorococcus-genomien evoluutiosta. Käyttämällä 16S rRNA:n erilaistumisnopeutta, joka on 1 % 50 miljoonaa vuotta kohti , voidaan arvioida, että näiden kahden suvun erilaistuminen on tapahtunut vasta 150 miljoonaa vuotta sitten, koska molekyylikellohypoteesi pitää paikkansa tämän geenin osalta Prochlorococcuksessa ja Synechococcuksessa. Esivanhempien Prochlorococcus-solujen on täytynyt kehittyä LL-niemessä, jonka muut pikosyanobakteerit ovat todennäköisesti jättäneet vapaaksi. Koska LL-kantojen MIT9313 ja SS120 genomin koossa on huomattavia eroja, vaikuttaa siltä, että genomin pienentymisen on täytynyt alkaa jossakin (tai mahdollisesti useammassa) linjassa LL-niche-alueella jonkin aikaa sen jälkeen, kun Prochlorococcus oli erilaistunut yhteisestä esi-isästään merellisten Synechococcus-lajien kanssa. Miksi valinta on vaikuttanut vain yhteen (tai joihinkin?) eikä kaikkiin Prochlorococcus-linjoihin, jää epäselväksi. P. marinus SS120:n geenirepertuaarin tarkastelu viittaa siihen, että genomin supistumisen on täytynyt liittyä monien eri reittien tarpeettomien geenien satunnaiseen häviämiseen. Jossain vaiheessa evoluutiota jotkin DNA:n korjaukseen osallistuvat geenit ovat kärsineet; näihin kuuluisi ada-geeni, joka saattaa olla vastuussa emäskoostumuksen muutoksesta, mutta mahdollisesti myös useita muita geenejä, jotka eivät välttämättä osallistu GC:stä AT:ksi tapahtuvan mutaation korjaukseen (ks. taulukko 3). Näiden geenien menetys on saattanut johtaa mutaationopeuden ja siten proteiineja koodaavien geenien evoluutionopeuden kasvuun, johon on liittynyt genomin nopeampi kutistuminen ja emäskoostumuksen siirtyminen kohti AT:tä. On syytä huomata, että yksi todennäköinen seuraus tästä koko genomin laajuisesta koostumuksen siirtymästä on adaptiivisen koodonivinouman puuttuminen Prochlorococcus-lajien MED4 ja SS120 genomeista. AT-rikkaita koodoneja käytetään ensisijaisesti riippumatta aminohaposta (kuva 3a). Näin ollen koodonien käyttö näissä genomeissa näyttää heijastavan pikemminkin paikallista emäskokoonpanon vääristymää kuin optimaalisten koodonien avulla tapahtuvaa valintaa tehokkaamman translaation aikaansaamiseksi. Sama johtopäätös on tehty muiden pienten genomien osalta, joilla on korkea A+T-pitoisuus .
Evoluution myöhemmässä vaiheessa (noin 80 miljoonaa vuotta sitten MED4:n ja SS120:n välisen 16S rRNA-sekvenssin eroavaisuuden asteen mukaan) erään LL-populaation, jolla oli luultavasti jo huomattavasti pienentynyt solu- ja genomikoko, on täytynyt vähitellen sopeutua HL:n kapeikkoon, ja lopulta se on asuttanut uudestaan ylemmän kerroksen. On edelleen vaikea määritellä, miten tämä muutos ekologisessa kapeikossa oli mahdollinen. LL-sopeutuneen SS120:n ja HL-sopeutuneen MED4:n välillä eroavan geenijoukon vertailu osoittaa, että hyvin harvat geenit saattoivat riittää siirtymiseen jommastakummasta kapeikosta toiseen, mukaan lukien hli-geenien moninkertaistuminen ja sellaisten geenien erilainen säilyminen, jotka esiintyivät Prochlorococcuksen ja Synechococcuksen yhteisessä esi-isässä (kuten edellä mainitut fotolyaasit ja syanaattikuljettajat) ja jotka hävisivät LL-sopeutuneista linjoista toissijaisesti.