Science里程碑成果：绘制了1000多种酵母的遗传蓝图——通吃不用付出代价

4月26日发表在《科学》(Science)杂志上的研究结果表明，内部因素——而非外部因素——是酵母菌可以吃的碳类型变化的主要驱动因素，研究人员发现，没有证据表明代谢的多样性，或吃不同食物的能力，是有任何代价的。换句话说，有些酵母是万事通，样样精通。

　　

在一项具有里程碑意义的研究中，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一个研究小组基于迄今为止最全面的基因组数据集之一，为有关进化的一个最古老的问题提供了可能的答案：为什么有些物种是通吃，而另一些则是专门种类才能吃。

在威斯康星大学麦迪逊分校遗传学教授Chris Todd Hittinger和范德比尔特大学生物学教授Antonis Rokas的指导下，研究人员绘制了1000多种酵母的遗传蓝图、食欲和环境，建立了一个家谱，阐明了这些单细胞真菌在过去4亿年间的进化过程。

4月26日发表在《科学》(Science)杂志上的研究结果表明，内部因素——而非外部因素，是酵母菌所能吃的碳类型变化的主要驱动因素，研究人员发现，没有证据表明代谢的多样性，或吃不同食物的能力需要付出代价。换句话说，有些酵母是“万金油”，样样精通。

Hittinger说，“这真的让我们很惊讶，专精的酵母菌应该更擅长它们所专精的碳源。而通吃，如果什么都吃，就不应该那么好。而我们看到的情况并非如此。”

这篇论文是一个正在进行的长达十年的项目的成果，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。这个基因组数据集是迄今为止为这样一个古老而多样的群体编制的最全面的数据集。

Hittinger说，除了进一步加深我们对生物多样性的理解之外，该数据库还可以帮助研究人员识别或创造出更善于将植物糖转化为生物燃料和其他替代化石燃料的酵母。

分支众多，胃口各异

从2015年开始，Hittinger团队对基因组进行了测序，并研究了与酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)有远亲关系的一组酵母的几乎所有已知物种的代谢。

他们选择这组酵母菌是因为已经确定的物种种类繁多，而且它们的碳饮食变化很大。

“我们有很多分支，有些靠得很近，有些离得更远，你有很多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是如何联系在一起的。

在收集数据后，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——一个被称为“niche breadth生态位宽度”的概念。

像其他生物一样，一些酵母已经进化成专食性的——比如考拉，它们只吃桉树叶，而另一些酵母则是通食性，就像浣熊，它们几乎什么都吃。

自1859年查尔斯·达尔文提出他的进化论以来，科学家们一直在试图解释为什么通吃和专食同时存在。

Hittinger说:“这些想法在达尔文时代就开始渗透，此后不久，人们开始……把生态学作为自然选择如何运作的基础。”

科学家们提出了两种广泛的模型来解释这一现象。

一种观点认为，通吃是万金油，但样样都不是，这意味着它们可以忍受更大范围的环境或食物来源，但在任何特定领域都不如专食那样占据主导地位。

另一种理论是内部和外部因素的结合驱动了生态位的变化。

例如，生物体可以获得基因，使它们能够制造能够分解多种物质的酶，从而扩大它们可以吃的食物的范围。相反，随着时间的推移，基因的随机丢失会导致上颚变窄。

同样，环境可以对性状施加选择压力。因此，只有一到两个食物来源或恒定温度的栖息地更适合专家，而通才可能在食物种类或条件更广泛的环境中表现得更好。

当谈到酵母代谢时，Hittinger团队没有发现折衷的证据。

“通吃在他们能使用的所有碳源上都做得更好，”Hittinger说。“通吃也能比专食使用更多的氮源。我根本不会预测到这种关系。”

数据还显示，环境因素只起到有限的作用。

合著者Dana Opulente说，这也令人惊讶。

“我们可能期望在驯化菌株中找到专家，但事实并非如此，”Opulente说。“我们可以找到土壤和花卉方面的通吃和专食。我们在所有相同的地方都发现了它们。”

Hittinger警告说，从这些数据中可以推断出的东西是有限的。有可能在未被研究的物种中存在权衡。用于测量代谢生长的实验室实验无法复制自然界中酵母生活的土壤、树皮或昆虫肠道中的条件。

Opulente现在正致力于收集更多关于这些自然环境的数据，这些数据可能会揭示生态对生态位宽度的更强影响。

“如果我们有更多的数据，还有很多其他的问题可以问，”Opulente说。

这项研究也没有解释为什么，如果没有权衡，所有的酵母都不是通吃。

一种可能的解释是，基因在进化过程中经常消失，只要它不是生存所必需的，突变就可以遗传下去并接管一个种群。通过这个过程，专家可能会不断地从通才进化而来。

“我不确定我们是否已经回答了这个问题，”Hittinger说。