酵母研究为为什么有些物种是多面手而另一些物种是专家提供了可能的答案

在一项基于有史以来最全面的基因组数据集之一的里程碑式研究中，由威斯康星大学麦迪逊分校和范德比尔特大学的科学家领导的团队为有关进化的最古老的问题之一提供了可能的答案：为什么有些物种是多面手其他专家。

在威斯康星大学麦迪逊分校遗传学教授ChrisToddHittinger和范德比尔特大学生物学教授AntonisRokas的指导下，研究人员绘制了1000多种酵母菌的基因蓝图、食欲和环境图，建立了一个家谱，阐明了这些酵母菌如何发挥作用。单细胞真菌经过4亿年的进化。

发表在《科学》杂志上的研究结果表明，内部因素(而不是外部因素)是碳酵母可以食用的碳类型变化的主要驱动因素，研究人员没有发现任何证据表明代谢的多功能性或吃不同食物的能力，伴随着任何权衡。换句话说，有些酵母是多面手，而且是各行各业的大师。

“这真的让我们非常惊讶，”希廷格说，“专家应该在他们所擅长的碳源方面做得更好。而通才，如果他们什么都吃，他们就不应该那么好。相反，这不是他们所擅长的。”我们看。”

这篇论文是一个持续十年的项目的产物，该项目旨在建立一个全面的数据库，绘制酵母基因组和性状之间的关系，酵母是一组与所有动物一样具有遗传多样性的物种。该基因组数据集是迄今为止为这样一个古老而多样化的群体编制的最全面的数据集。

希廷格是五大湖生物能源研究中心研究酵母代谢的研究员，他表示，除了进一步加深我们对生物多样性的了解之外，该数据库还可以帮助研究人员识别或创造能够更好地将植物糖转化为生物燃料和其他化石燃料替代品的酵母。。

分店众多，口味多样

从2015年开始，希廷格的团队对基因组进行了测序，并研究了与酿酒酵母(更广为人知的名称为面包酵母)有远亲关系的一组酵母中几乎所有已知物种的新陈代谢。

他们之所以选择这个群体，是因为已发现的物种种类繁多，而且它们的碳饮食变化很大。

“我们有很多分支机构，有些靠得很近，有些则相距较远，”希廷格说。“你有大量的机会去探索相同或相似的进化轨迹。我们可以看到已经获得或失去了十几次的特征。”

他们不知道的是这些物种之间是如何相关的。

汇总数据后，研究人员使用机器学习工具来找出哪些基因与哪些特征相关，包括生物体可以使用的资源范围或它可以忍受的条件——这个概念被称为“利基宽度”。

和其他生物一样，一些酵母已经进化成为专家——比如考拉，它只吃桉树叶——而另一些酵母则是通才，比如浣熊，几乎什么都吃。

自从1859年查尔斯·达尔文提出进化论以来，科学家们一直在试图解释为什么通才和专家同时存在。

“这些想法在达尔文时代就开始渗透，此后不久，人们开始……将生态学作为自然选择运作方式的基础，”希廷格说。

1,154个酵母和真菌外群的系统发育由2,408个直系同源基因组构建。分支根据其属于糖菌亚门的分类学分配进行着色(46)。最里面的环由分离每种特定菌株的顶级分离环境类型着色。紫色、黄色和蓝色环标识了每种菌株的碳生长分类。该分类基于碳宽度，碳宽度与氮宽度一起由树外部的条形图表示。所示的所有性状(隔离环境、碳生长等级、氮宽度和碳宽度)广泛分布在整棵树上;没有一个秩序只有一种特征。图片来源：威斯康星大学麦迪逊分校

科学家们提供了两种广泛的模型来解释这一现象。

有人认为，多面手是多面手，但一无所知，这意味着他们可以忍受更广泛的条件或食物来源，但不像任何特定领域的专家那样占主导地位。

另一种理论是内部和外部因素的结合驱动了利基变化。

例如，生物体可以获得基因，使它们能够产生能够分解多种物质的酶，从而扩大它们可以吃的食物范围。相反，随着时间的推移，基因的随机丢失会导致味觉变窄。

同样，环境也会对特质施加选择性压力。因此，只有一种或两种食物来源或恒定温度的栖息地将有利于专家，而通才可能在具有更广泛食物或条件的环境中做得更好。

当谈到酵母代谢时，希廷格的团队没有发现任何权衡的证据。

“通才在他们可以使用的所有碳源方面都表现得更好，”希廷格说。“多面手还能够比碳专家使用更多的氮源。我根本没有预测到这种关系。”

数据还表明，环境因素的作用有限。

共同作者达纳·奥普伦特(DanaOpulente)表示，这也令人惊讶。她是威斯康辛大学麦迪逊分校的博士后研究员，现在是维拉诺瓦大学的生物学助理教授。

“我们可能希望找到主要研究驯化菌株的专家，但事实并非如此，”奥普伦特说。“我们可以找到土壤和花卉方面的通才和专家。我们在所有相同的地方找到他们。”

希廷格警告说，从数据中推断的内容存在局限性。未研究的物种中可能存在权衡。用于测量代谢生长的实验室实验无法复制酵母在自然界中生存的土壤、树皮或昆虫内脏的条件。

Opulente目前正在努力收集有关这些自然环境的更多数据，这可能会揭示对生态位宽度的更强的生态影响。

“如果我们有更多数据，就可以提出很多其他问题，”奥普伦特说。

该研究也没有解释为什么，如果没有权衡，所有酵母都不是多面手。

一种可能的解释是，基因经常在进化过程中消失，只要它不是生存所必需的，突变就可以传递并接管种群。通过这个过程，专家可能会不断地从通才发展而来。

“我还不确定我们是否已经回答了这个问题，”希廷格说。