Procesul de reducere a genomului care a avut loc în cadrul radiației Prochlorococcus nu a fost, după cunoștințele noastre, observat până acum la nici un alt procariot care trăiește liber. Deoarece Prochlorococcus sp. MIT9313 are o dimensiune a genomului foarte asemănătoare cu cea a Synechococcus sp. WH8102 (2,4 megabaze-pereche (Mbp)), precum și cu alte câteva specii marine de Synechococcus spp. (M. Ostrowski și D. Scanlan, comunicare personală), este rezonabil să presupunem că strămoșul comun al tuturor speciilor de Prochlorocococcus a avut, de asemenea, o dimensiune a genomului de aproximativ 2,4 Mbp. Conform acestei ipoteze, reducerea genomului care a avut loc în MED4 ar corespunde la aproximativ 31%. Prin comparație, gradul de reducere a genomului în endosimbiontul de insecte Buchnera, în comparație cu un genom ancestral reconstituit, este de aproximativ 77% . Genomul lui P. marinus SS120 – și, cu atât mai mult, genomul MED4 – este considerat a fi aproape minim pentru un organism oxifotrofic care trăiește liber . S-ar părea că, probabil, reducerea genomului la aceste organisme nu poate continua sub o anumită limită, care corespunde unui fond de gene care conține toate genele esențiale ale căilor biosintetice și ale funcțiilor de menținere (incluzând, probabil, majoritatea celor 1.306 gene ortologe în patru direcții identificate în acest studiu), plus o serie de alte gene, inclusiv gene specifice genului, precum și gene specifice nișei. De exemplu, MED4 codifică o serie de proteine legate de fotoliza, câțiva transportatori ABC specifici (pentru cianat, de exemplu; și datele nu sunt prezentate). Acești compuși specifici ar putea fi esențiali pentru supraviețuirea în stratul superior al apei, care primește fluxuri mari de fotoni, lumină UV și este sărăcit de nutrienți, dar mai puțin pentru viața mai adâncă în coloana de apă.
Dacă atât liniile de Prochlorocococcus, cât și organismele dependente de gazdă au suferit o reducere a genomului asociată cu rate de substituție accelerate, aceste fenomene trebuie să fi apărut din cauze foarte diferite, deoarece repertoriile genetice rezultate ale celor două tipuri de organisme diferă enorm de mult. Într-adevăr, evoluția genomului endosimbionților și al agenților patogeni obligatorii este determinată de două procese principale care au efecte care se consolidează reciproc asupra dimensiunii genomului și a ritmurilor de evoluție. Fiind limitate în interiorul gazdei lor, aceste bacterii au populații de dimensiuni mici și sunt în mod regulat blocate la fiecare generație a gazdei sau la fiecare nouă infecție a gazdei. În consecință, ele se confruntă cu o puternică derivă genetică care implică o creștere a ratei de substituție. Această accelerare are ca rezultat acumularea la întâmplare de mutații ușor dăunătoare în genele care codifică proteine, precum și în genele ARNr . Această derivă genetică sporește reducerea genomului prin inactivarea și apoi eliminarea unor gene potențial benefice, dar dispensabile. Printre acestea, au existat o serie de gene de reparare a ADN-ului, a căror dispariție ar fi putut crește și mai mult rata mutațiilor . În plus, o serie de gene pot fi supuse unei relaxări a selecției purificatoare care, prin urmare, devine mai puțin eficientă în menținerea funcției genice. Această relaxare afectează în special genele care au devenit inutile pentru că sunt redundante în genomul lor gazdă, cum ar fi genele implicate în biosinteza aminoacizilor, nucleotidelor, acizilor grași și chiar a ATP . Presiunea de selecție este, de asemenea, redusă pentru genele implicate în sistemele de detectare și de reglare a mediului, cum ar fi sistemele bicomponente, din cauza mediului mult mai tamponat oferit de gazdă .
În genul Prochlorococcus, care trăiește liber, dimensiunea foarte mare a populațiilor de câmp înseamnă că aceste populații sunt supuse unei derive genetice mult mai reduse, iar genomurile lor sunt supuse unei selecții purificatoare mult mai puternice decât cele ale endosimbionților și agenților patogeni . În consecință, rata accelerată de evoluție observată rezultă probabil doar din creșterea ratei de mutație, care, la rândul ei, se datorează probabil pierderii genelor de reparare a ADN-ului, chiar dacă ar trebui să observăm că, la P. marinus SS120, doar două astfel de gene lipsesc (tabelul 3). Am observat o accelerare similară a substituțiilor de aminoacizi pentru toate categoriile funcționale (figura 4). Această constatare este mai mult în concordanță cu o creștere globală a ratei de mutație decât cu o selecție relaxată, fiind puțin probabil ca aceasta din urmă să aibă loc în aceeași măsură la toți loci. De asemenea, presupunem că majoritatea substituțiilor de aminoacizi care au avut loc în proteinele Prochlorococcus sunt neutre, adică nu au modificat funcția proteică. Într-adevăr, populațiile din clada HL care, ca și MED4, au cele mai derivate secvențe proteice din toate speciile de Prochlorococcus, par a fi cele mai abundente organisme fotosintetice din stratul superior al oceanelor temperate și intertropicale. Un astfel de succes ecologic ar fi cu greu posibil pentru organismele handicapate de un număr mare de mutații ușor dăunătoare, mai ales având în vedere faptul că majoritatea genelor au o singură copie și, astfel, compensarea funcției genelor nu este, în general, posibilă. Efectul menținerii unui nivel ridicat de selecție purificatoare asupra contracarării substituțiilor dăunătoare este deosebit de evident în cazul genelor ARNr. Spre deosebire de genele codificatoare de proteine, testele de rată relativă nu au arătat nicio diferență semnificativă în ceea ce privește rata de evoluție a genelor ARNr 16S în cele patru genomuri de picocyanobacterii marine și, prin urmare, nu există nicio dovadă că SS120 sau MED4 ar fi putut acumula mutații care să destabilizeze structura secundară a moleculei lor de ARNr 16S. O consecință notabilă a accelerării ritmurilor de evoluție a genelor codificatoare de proteine la Prochlorococcus este faptul că reconstrucțiile filogenetice bazate pe secvențe de proteine sunt distorsionate. Într-adevăr, acest lucru conduce la ramuri mult mai lungi pentru aceste două tulpini decât pentru MIT9313. Topologia arborescentă rezultată de cele mai multe ori nu o susține pe cea obținută cu gena ARNr 16S, pentru care ipoteza ceasului molecular este adevărată conform analizelor noastre. Astfel, este probabil ca genele ARNr să fie printre puținele gene care vor oferi estimări fiabile ale distanțelor filogenetice dintre tulpinile de Prochlorococcus.
Dacă nici relaxarea selecției purificatoare, nici o creștere a derivei genetice nu a fost principalul factor care a cauzat reducerea genomului Prochlorocococcus, o posibilitate alternativă este că aceasta din urmă ar putea fi rezultatul unui proces selectiv care favorizează adaptarea Prochlorocococcus la mediul său. Succesul ecologic aparent mai bun în zonele oligotrofe al speciilor de Prochlorococcus în comparație cu ruda lor apropiată Synechococcus , sugerează cu tărie că reducerea dimensiunii genomului Prochlorococcus ar putea oferi un avantaj competitiv primelor. Într-adevăr, comparațiile extinse ale complementelor genetice ale acestor două organisme arată foarte puține exemple – cel puțin în rândul genelor pentru care se cunoaște funcția – de apariție a unor gene specifice la MED4 care ar putea explica adaptarea mai bună a acestuia (datele nu sunt prezentate). O excepție notabilă este prezența la Prochlorocococcus, dar nu și la Synechococcus, a flavodoxinei și a feritinei, două proteine care, probabil, conferă Prochlorocococcus o rezistență mai bună la stresul provocat de fier. În afară de aceasta, Synechococcus pare a fi mai degrabă un generalist, în special în ceea ce privește absorbția și asimilarea azotului sau a fosforului, și ar trebui, a priori, să fie mai potrivit pentru a susține concurența. Prin urmare, presupunem că cheia succesului Prochlorocococcus rezidă mai puțin în dezvoltarea unui complex sau a unei căi specifice pentru a face față mai bine condițiilor nefavorabile decât în simplificarea genomului său și a organizării celulare, ceea ce poate permite acestui organism să facă economii substanțiale de energie și material pentru întreținerea celulelor.
Simpla reducere a dimensiunii genomului în sine este o sursă potențială de economii substanțiale pentru celulă, deoarece reduce cantitatea de azot și fosfor, două elemente deosebit de limitative în partea superioară a oceanului, care sunt necesare, de exemplu, în sinteza ADN-ului. Un alt avantaj este că permite o reducere concomitentă a volumului celulei. S-a sugerat anterior (a se vedea, de exemplu, ) că, pentru un organism fitoplanctonic, un volum celular mic conferă două avantaje selective prin reducerea umbririi proprii (efectul de pachet) și prin creșterea raportului dintre suprafața celulară și volum, ceea ce poate îmbunătăți absorbția nutrienților. Primul avantaj ar îmbunătăți condiția fizică a tulpinilor LL, în timp ce al doilea ar oferi un avantaj tulpinilor HL care trăiesc în apele de suprafață sărace în nutrienți. În cele din urmă, diviziunea celulară este mai puțin costisitoare pentru o celulă mică decât pentru o celulă mare. Pe baza acestor observații, presupunem că principala forță motrice pentru reducerea genomului în cadrul radiației Prochlorococcus a fost selecția pentru un stil de viață mai economic. Înclinația către un genom bogat în A+T la MED4 și SS120 este, de asemenea, în concordanță cu această ipoteză, deoarece poate fi văzută ca o modalitate de economisire a azotului. Într-adevăr, o pereche de baze AT conține șapte atomi de azot, cu unul mai puțin decât o pereche de baze GC.
Cu această ipoteză în minte, propunem un scenariu posibil pentru evoluția genomurilor Prochlorococcus. Folosind o rată de divergență a ARNr 16S de 1% la 50 de milioane de ani , se poate estima că diferențierea acestor două genuri este la fel de recentă ca și 150 de milioane de ani, deoarece ipoteza ceasului molecular este valabilă pentru această genă la Prochlorocococcus și Synechocococcus. Celulele ancestrale ale Prochlorocococcus trebuie să se fi dezvoltat în nișa LL, o nișă probabil lăsată liberă de alte picocyanobacterii. Având în vedere diferența considerabilă în ceea ce privește dimensiunea genomului între tulpinile LL MIT9313 și SS120, se pare că reducerea genomului în sine trebuie să fi început într-unul (sau poate mai multe) neam (neamuri) din cadrul nișei LL la un moment dat după diferențierea Prochlorococcus de la strămoșul său comun cu speciile marine Synechocococcus. De ce selecția a afectat doar una (sau câteva?) și nu toate liniile Prochlorocococcus rămâne neclar. Examinarea repertoriului genetic al P. marinus SS120 sugerează că această reducere a genomului trebuie să fi vizat pierderea aleatorie a unor gene dispensabile din mai multe căi diferite. La un moment dat, pe parcursul evoluției, unele gene implicate în repararea ADN-ului au fost afectate; printre acestea s-ar număra gena ada, care ar putea fi responsabilă de schimbarea compoziției bazelor, dar, de asemenea, este posibil ca alte câteva gene, care nu sunt neapărat implicate în repararea mutațiilor GC către AT (a se vedea tabelul 3). Este posibil ca pierderea acestor gene să fi dus la o creștere a ratei de mutație și, prin urmare, a ratei de evoluție a genelor codificatoare de proteine, însoțită de o micșorare mai rapidă a genomului și de o schimbare a compoziției bazelor către AT. Este demn de remarcat faptul că o consecință probabilă a acestei schimbări de compoziție la nivelul întregului genom este absența tendinței adaptive a codonilor în genomurile speciilor de Prochlorococcus MED4 și SS120. Codonii bogați în AT sunt utilizați în mod preferențial indiferent de aminoacid (figura 3a). Astfel, utilizarea codonilor în aceste genomuri pare să reflecte mai mult prejudecata locală de compoziție a bazelor decât selecția pentru o traducere mai eficientă prin utilizarea codonilor optimi. Aceeași concluzie a fost trasă și în cazul altor genomuri mici cu un conținut ridicat de A+T .
Mai târziu în cursul evoluției (în urmă cu aproximativ 80 de milioane de ani, conform gradului de divergență a secvenței de ARNr 16S între MED4 și SS120), o populație LL care, probabil, avea deja o celulă și un genom de dimensiuni semnificativ reduse trebuie să se fi adaptat progresiv la nișa HL și, în cele din urmă, a recolonizat stratul superior. Cum a fost posibilă această schimbare a nișei ecologice este încă greu de definit. Compararea setului de gene care diferă între SS120 adaptată la LL și MED4 adaptată la HL arată că foarte puține gene ar putea fi suficiente pentru a trece de la o nișă la cealaltă, inclusiv o multiplicare a genelor hli și reținerea diferențiată a genelor care erau prezente în strămoșul comun al Prochlorocococcus și Synechocococcus, (cum ar fi fotoliile și transportatorii de cianat menționați mai sus) și care au fost pierdute în mod secundar în liniile adaptate la LL.
.