Gærundersøgelse giver et muligt svar på, hvorfor nogle arter er generalister og andre specialister

I en skelsættende undersøgelse baseret på et af de mest omfattende genomiske datasæt, der nogensinde er blevet samlet, tilbyder et hold ledet af forskere ved University of Wisconsin-Madison og Vanderbilt University et muligt svar på et af de ældste spørgsmål om evolution:hvorfor nogle arter er generalister og andre specialister.

Under vejledning af UW-Madison professor i genetik Chris Todd Hittinger og Antonis Rokas, professor i biologi ved Vanderbilt, kortlagde forskere de genetiske tegninger, appetit og miljøer for mere end 1.000 arter af gær, og byggede et stamtræ, der belyser, hvordan disse encellede svampe har udviklet sig i løbet af de sidste 400 millioner år.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Science , tyder på, at interne – ikke eksterne – faktorer er de primære drivkræfter for variation i de typer kulstofgær kan spise, og forskerne fandt ingen beviser for, at metabolisk alsidighed eller evnen til at spise forskellige fødevarer kommer med nogen afvejninger. Med andre ord, nogle gærarter er absolut bedste og mestre af hver.

"Det overraskede os virkelig," siger Hittinger, "specialister burde være bedre til de kulstofkilder, som de er specialiserede i. Og generalister, hvis de spiser alt, burde de ikke være så gode. Og i stedet er det ikke det, der vi ser."

Artiklen er et produkt af et igangværende årti-langt projekt for at opbygge en omfattende database, der kortlægger forholdet mellem genomer og egenskaber af gær, en gruppe arter lige så genetisk forskelligartede som alle dyr. Det genomiske datasæt er det mest omfattende, der nogensinde er kompileret for en så gammel og forskelligartet gruppe.

Hittinger, en efterforsker ved Great Lakes Bioenergy Research Center, som studerer gærmetabolisme, siger, at ud over at fremme vores forståelse af biodiversitet kan databasen hjælpe forskere med at identificere eller skabe gær, der er bedre til at omdanne plantesukker til biobrændstoffer og andre alternativer til fossile brændstoffer .

Mange grene, varieret appetit

Fra og med 2015 sekventerede Hittingers team genomerne og studerede metabolismen af ​​næsten alle kendte arter af en gruppe gærarter, der er fjernt beslægtet med Saccharomyces cerevisiae, bedre kendt som bagegær.

De valgte denne gruppe på grund af den brede vifte af arter, der var blevet identificeret, og deres meget varierende kulstofdiæter.

"Vi har masser af grene, nogle der ligger tæt sammen, nogle der er længere fra hinanden," siger Hittinger. "Du har bare tonsvis af muligheder for, at de samme eller lignende evolutionære baner kan udforskes. Vi kan se egenskaber, der er opnået eller tabt et dusin gange."

Hvad de ikke vidste er, hvordan arterne var beslægtet.

Efter at have samlet dataene brugte forskerne maskinlæringsværktøjer til at finde ud af, hvilke gener der er forbundet med hvilke egenskaber, herunder rækken af ​​ressourcer, en organisme kan bruge eller de forhold, den kan tolerere – et begreb kendt som "nichebredde."

Ligesom andre organismer har nogle gærarter udviklet sig til at være specialister – tænk koalaer, som ikke spiser andet end eukalyptusblade – mens andre er generalister som vaskebjørne, der spiser næsten alt.

Forskere har forsøgt at forklare, hvorfor både generalister og specialister eksisterer næsten siden Charles Darwin foreslog sin evolutionsteori i 1859.

"Disse ideer trængte ind på Darwins tid, og kort efter, da folk begyndte at ... skærpe ind på økologi som grundlaget for, hvordan naturlig udvælgelse fungerer," siger Hittinger.

Forskere har tilbudt to brede modeller til at forklare fænomenet.

En antyder, at generalister er dygtige, men mestre af ingen, hvilket betyder, at de kan tolerere en bredere vifte af tilstande eller fødevarekilder, men ikke er så dominerende som en specialist i nogen specifik niche.

Den anden teori er, at en kombination af interne og eksterne faktorer driver nichevariation.

For eksempel kan organismer erhverve gener, der giver dem mulighed for at lave enzymer, der er i stand til at nedbryde mere end ét stof, hvilket udvider rækken af ​​fødevarer, de kan spise. Omvendt kan tilfældigt tab af gener over tid resultere i en smallere gane.

Ligeledes kan miljøer udøve selektivt pres på egenskaber. Så et levested med kun en eller to fødekilder eller konstante temperaturer ville favorisere specialister, mens generalister måske klarer sig bedre i et miljø med en bredere vifte af fødevarer eller forhold.

Når det kommer til gærmetabolisme, fandt Hittingers team ingen tegn på afvejninger.

"Generalisterne er bedre på tværs af alle de kulstofkilder, de kan bruge," siger Hittinger. "Generalister er også i stand til at bruge flere nitrogenkilder end kulstofspecialister. Jeg ville slet ikke have forudset det forhold."

Dataene viste også, at miljøfaktorer kun spiller en begrænset rolle.

Det var også overraskende, siger medforfatter Dana Opulente, der begyndte projektet som postdoktor ved UW–Madison og nu er assisterende professor i biologi ved Villanova University.

"Vi kunne forvente at finde specialister, hovedsagelig i domesticerede stammer, men det er ikke tilfældet," siger Opulente. "Vi kan finde generalister og specialister i jord og blomster. Vi finder dem alle de samme steder."

Hittinger advarer om, at der er begrænsninger for, hvad der kan udledes af dataene. Det er muligt, at afvejninger er til stede i arter, der ikke blev undersøgt. Og laboratorieeksperimenterne, der bruges til at måle metabolisk vækst, kan ikke kopiere forholdene i jord, træbark eller insekttarm, hvor gær lever i naturen.

Opulente arbejder nu på at indsamle flere data om disse naturlige miljøer, som kan afsløre en stærkere økologisk indflydelse på nichebredden.

"Hvis vi har flere data, er der mange andre spørgsmål, der kan stilles," siger Opulente.

Undersøgelsen forklarer heller ikke, hvorfor alle gærtyper ikke er generalister, hvis der ikke er nogen afvejninger.

En mulig forklaring er, at gener ofte forsvinder under evolutionen, og så længe det ikke er afgørende for overlevelse, at mutation kan gå videre og overtage en befolkning. Specialister kan løbende udvikle sig fra generalister gennem denne proces.

"Jeg er ikke sikker på, at vi har besvaret det spørgsmål endnu," siger Hittinger.

Flere oplysninger: Dana A. Opulente et al., Genomiske faktorer former kulstof- og nitrogenmetaboliske nichebredde på tværs af Saccharomycotina-gær, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj4503. www.science.org/doi/10.1126/science.adj4503

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af University of Wisconsin-Madison