这些万事通也是大师：酵母研究有助于回答古老的生物学问题

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团队基于有史以来最全面的基因组数据集之一，为进化最古老的问题之一提供了一个可能的答案：为什么有些物种是通才，而另一些物种是专家。

在威斯康星大学麦迪逊分校遗传学教授克里斯·托德·希廷格（Chris Todd Hittinger）和范德比尔特大学生物学教授安东尼斯·罗卡斯（Antonis Rokas）的指导下，研究人员绘制了1000多种酵母的遗传蓝图、胃口和环境，建立了一个家谱，阐明了这些单细胞真菌在过去4亿年中是如何进化的。

4月25日发表在《科学》杂志上的研究结果表明，内部因素（而不是外部因素）是酵母可以吃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会带来任何权衡。换句话说，有些酵母是万事通 ， 是每个行业的大师。

“这真的让我们感到非常惊讶，”Hittinger说，“专家们应该更擅长他们所擅长的碳源。而通才，如果他们什么都吃，他们不应该那么好。相反，这不是我们所看到的。

这篇论文是一个正在进行的长达十年的项目的产物，该项目旨在建立一个全面的数据库，绘制基因组和酵母性状之间的关系，酵母是一组与所有动物一样遗传多样化的物种。基因组数据集是有史以来为这样一个古老而多样化的群体编制的最全面的数据集。

五大湖生物能源研究中心（Great Lakes Bioenergy Research Center）研究酵母代谢的研究员希廷格（Hittinger）说，除了进一步了解生物多样性外，该数据库还可以帮助研究人员识别或创造酵母，这些酵母更擅长将植物糖转化为生物燃料和其他化石燃料的替代品。

分支多，口味多

从2015年开始，Hittinger的团队对基因组进行了测序，并研究了与 酿酒酵母（更广为人知的面包酵母）有远亲关系的一组酵母的几乎所有已知物种的代谢。

他们之所以选择这个群体，是因为已经确定了各种各样的物种，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，有些离得更远，”Hittinger说。“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十几次的特征。

他们不知道的是这些物种是如何相关的。

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性状相关，包括生物体可以使用的资源范围或可以忍受的条件——这个概念被称为“生态位广度”。

像其他生物一样，一些酵母已经进化成专家——比如考拉，它们只吃桉树叶——而另一些则像浣熊一样多面手，几乎什么都吃。

自从查尔斯·达尔文（Charles Darwin）在1859年提出进化论以来，科学家们就一直在试图解释为什么通才和专家都存在。

“这些想法在达尔文时代就已经渗透出来，此后不久，人们开始……将生态学作为自然选择如何运作的基础，“Hittinger说。

科学家们提供了两种广泛的模型来解释这种现象。

有人认为通才是万事通，但无所不能，这意味着他们可以忍受更广泛的条件或食物来源，但不像任何特定利基市场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推动了生态位的变化。

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范围。相反，随着时间的流逝，基因的随机丢失会导致味觉变窄。

同样，环境也会对性状施加选择性压力。因此，只有一两个食物来源或恒定温度的栖息地将有利于专家，而通才在具有更多食物或条件的环境中可能会做得更好。

在酵母代谢方面，Hittinger的团队没有发现权衡的证据。

“通才在他们可以使用的所有碳源方面都做得更好，”Hittinger说。“通才也能够比碳专家使用更多的氮源。我根本无法预料到这种关系。

数据还显示，环境因素的作用有限。

这也令人惊讶，合著者Dana Opulente说，他作为威斯康星大学麦迪逊分校的博士后研究员开始了这个项目，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，”Opulente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都能找到它们。

Hittinger警告说，从数据中可以推断出的东西是有局限性的。在未被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活的土壤、树皮或昆虫肠道中的条件。

Opulente现在正在努力收集有关这些自然环境的更多数据，这可能会揭示生态位广度的更强生态影响。

“如果我们有更多的数据，还有很多其他问题可以问，”Opulente说。

该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才。

一种可能的解释是，基因在进化过程中经常消失，只要它不是生存的必要条件，突变就可以被传递并接管一个种群。在这个过程中，专家可能会从通才不断演变而来。

“我不确定我们是否已经回答了这个问题，”Hittinger说。

这项工作得到了美国国家科学基金会的资助;美国能源部科学办公室;美国农业部;威斯康星校友研究基金会;美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）和美国国家过敏和传染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases）;巴勒斯惠康基金;国家重点研发计划、浙江省国家杰出青年科学基金;中央高校基础科研经费;霍华德休斯医学研究所;斯洛文尼亚研究机构;科学技术基金会（葡萄牙）;国家科学技术发展委员会（巴西）;阿根廷国家科学技术研究理事会（CONICET）;科马休国立大学（阿根廷）。