I en landmärkestudie baserad på en av de mest omfattande genomiska datamängder som någonsin sammanställts, erbjuder ett team ledd av forskare vid University of Wisconsin–Madison och Vanderbilt University ett möjligt svar på en av de äldsta frågorna om evolution:varför vissa arter är generalister och andra specialister.
Under ledning av UW–Madison professor i genetik Chris Todd Hittinger och Antonis Rokas, professor i biologi vid Vanderbilt, kartlade forskare de genetiska ritningarna, aptiten och miljöerna för mer än 1 000 arter av jästsvampar och byggde ett släktträd som belyser hur dessa encelliga svampar har utvecklats under de senaste 400 miljoner åren.
Resultaten, publicerade i tidskriften Science , tyder på att interna – inte externa – faktorer är de primära drivkrafterna för variation i vilka typer av koljäst kan äta, och forskarna fann inga bevis för att metabolisk mångsidighet, eller förmågan att äta olika livsmedel, kommer med några avvägningar. Med andra ord, vissa jästsvampar är absoluta branscher och mästare på var och en.
"Det förvånade oss verkligen", säger Hittinger, "Specialister borde vara bättre på de kolkällor som de är specialiserade på. Och generalister, om de äter allt, borde de inte vara lika bra. Och istället är det inte det som vi ser."
Uppsatsen är en produkt av ett pågående decenniumlångt projekt för att bygga en omfattande databas som kartlägger förhållandet mellan genom och egenskaper hos jästsvampar, en grupp arter som är lika genetiskt olika som alla djur. Den genomiska datauppsättningen är den mest omfattande som någonsin sammanställts för en så uråldrig och mångsidig grupp.
Hittinger, en utredare vid Great Lakes Bioenergy Research Center som studerar jästmetabolism, säger att förutom att främja vår förståelse av biologisk mångfald kan databasen hjälpa forskare att identifiera eller skapa jästsvampar som är bättre på att omvandla växtsocker till biobränslen och andra alternativ till fossila bränslen .
Från och med 2015 sekvenserade Hittingers team genomen och studerade metabolismerna hos nästan alla kända arter av en grupp jästsvampar som är avlägset besläktade med Saccharomyces cerevisiae, mer känd som bagerijäst.
De valde denna grupp på grund av det breda utbudet av arter som hade identifierats och deras mycket varierande kolkost.
"Vi har många grenar, några som ligger nära varandra, några som ligger längre ifrån varandra", säger Hittinger. "Du har bara massor av möjligheter för samma eller liknande evolutionära banor att utforskas. Vi kan se egenskaper som har vunnits eller förlorats ett dussin gånger."
Vad de inte visste är hur arterna var släkt.
Efter att ha sammanställt data använde forskarna verktyg för maskininlärning för att ta reda på vilka gener som är förknippade med vilka egenskaper, inklusive mängden resurser en organism kan använda eller de förhållanden den kan tolerera – ett koncept som kallas "nischbredd."
Liksom andra organismer har vissa jästsvampar utvecklats till att bli specialister – tänk koalor, som inte äter annat än eukalyptusblad – medan andra är generalister som tvättbjörnar, som äter nästan vad som helst.
Forskare har försökt förklara varför både generalister och specialister existerar nästan sedan Charles Darwin föreslog sin evolutionsteori 1859.
"De här idéerna slocknade under Darwins tid och strax därefter, när människor började ... greppa ekologi som grunden för hur naturligt urval fungerar", säger Hittinger.
Forskare har erbjudit två breda modeller för att förklara fenomenet.
En antyder att generalister är absoluta branscher men ingen mästare, vilket innebär att de kan tolerera ett bredare utbud av tillstånd eller matkällor men inte är lika dominerande som en specialist inom någon specifik nisch.
Den andra teorin är att en kombination av interna och externa faktorer driver nischvariation.
Till exempel kan organismer förvärva gener som tillåter dem att göra enzymer som kan bryta ner mer än ett ämne, vilket utökar utbudet av livsmedel de kan äta. Omvänt kan slumpmässig förlust av gener över tid resultera i en smalare gom.
På samma sätt kan miljöer utöva selektiv press på egenskaper. Så en livsmiljö med bara en eller två matkällor eller konstanta temperaturer skulle gynna specialister, medan generalister kanske klarar sig bättre i en miljö med ett bredare utbud av mat eller förhållanden.
När det gäller jästmetabolism hittade Hittingers team inga bevis på avvägningar.
"Generalisterna är bättre över alla kolkällor de kan använda", säger Hittinger. "Generalister kan också använda fler kvävekällor än kolspecialister. Jag skulle inte ha förutsett det förhållandet alls."
Data visade också att miljöfaktorer endast spelar en begränsad roll.
Det var också överraskande, säger medförfattaren Dana Opulente, som började projektet som postdoktor vid UW–Madison och nu är biträdande professor i biologi vid Villanova University.
"Vi kan förvänta oss att hitta specialister mestadels inom domesticerade stammar, men det är inte fallet", säger Opulente. "Vi kan hitta generalister och specialister på jord och blommor. Vi hittar dem på alla samma ställen."
Hittinger varnar för det finns begränsningar för vad som kan utläsas från data. Det är möjligt att avvägningar finns hos arter som inte studerades. Och laboratorieexperimenten som används för att mäta metabolisk tillväxt kan inte replikera förhållandena i jordar, trädbark eller insektstarm där jästsvampar lever i naturen.
Opulente arbetar nu med att samla in mer data om dessa naturliga miljöer, vilket kan avslöja en starkare ekologisk påverkan på nischbredden.
"Om vi har mer data finns det många andra frågor som kan ställas", säger Opulente.
Studien förklarar inte heller varför, om det inte finns några avvägningar, alla jästsvampar inte är generalister.
En möjlig förklaring är att gener ofta försvinner under evolutionen, och så länge det inte är nödvändigt för överlevnaden att mutation kan föras vidare och ta över en population. Specialister kan ständigt utvecklas från generalister genom denna process.
"Jag är inte säker på att vi har svarat på den frågan ännu," säger Hittinger.
Mer information: Dana A. Opulente et al, Genomiska faktorer formar kol- och kvävemetabolisk nischbredd över Saccharomycotina-jäst, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj4503. www.science.org/doi/10.1126/science.adj4503
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av University of Wisconsin-Madison
