Hefestudien bieten eine mögliche Antwort darauf, warum einige Arten Generalisten und andere Spezialisten sind

In einer bahnbrechenden Studie, die auf einem der umfangreichsten Genomdatensätze aller Zeiten basiert, bietet ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison und der Vanderbilt University eine mögliche Antwort auf eine der ältesten Fragen zur Evolution: Warum manche Arten Generalisten sind und andere Spezialisten.

Unter der Leitung von Chris Todd Hittinger, Professor für Genetik an der UW-Madison, und Antonis Rokas, Professor für Biologie an der Vanderbilt, kartierten Forscher die genetischen Baupläne, Appetite und Umgebungen von mehr als 1.000 Hefearten und erstellten einen Stammbaum, der die Funktionsweise dieser Hefen beleuchtet In den letzten 400 Millionen Jahren haben sich einzellige Pilze entwickelt.

Die Ergebnisse, veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftdeuten darauf hin, dass interne und nicht externe Faktoren die Hauptursache für die Variation der Arten von Kohlenstoff sind, die Hefen essen können, und die Forscher fanden keine Hinweise darauf, dass die Stoffwechselvielfalt oder die Fähigkeit, verschiedene Nahrungsmittel zu sich zu nehmen, mit irgendwelchen Kompromissen einhergeht. Mit anderen Worten: Manche Hefen sind Alleskönner und Meister jedes einzelnen.

„Das hat uns wirklich, wirklich überrascht“, sagt Hittinger. „Spezialisten sollten die Kohlenstoffquellen, auf die sie spezialisiert sind, besser beherrschen. Und Generalisten sollten nicht so gut sein, wenn sie alles essen. Und stattdessen ist das nicht der Fall.“ wir sehen.“

Das Papier ist ein Produkt einer laufendes, jahrzehntelanges Projekt eine umfassende Datenbank aufzubauen, die die Beziehung zwischen Genomen und Merkmalen von Hefen abbildet, einer Gruppe von Arten, die genetisch so vielfältig sind wie alle Tiere. Der Genomdatensatz ist der umfassendste, der jemals für eine so alte und vielfältige Gruppe zusammengestellt wurde.

Hittinger, ein Forscher am Great Lakes Bioenergy Research Center, der untersucht den Hefestoffwechselsagt, dass die Datenbank nicht nur unser Verständnis der Biodiversität fördert, sondern Forschern auch dabei helfen kann, Hefen zu identifizieren oder zu entwickeln, die Pflanzenzucker besser in Biokraftstoffe und andere Alternativen zu fossilen Brennstoffen umwandeln können.

Viele Filialen, vielfältiger Appetit

Ab 2015 sequenzierte Hittingers Team die Genome und untersuchte den Stoffwechsel nahezu aller bekannten Arten einer Gruppe von Hefen, die entfernt mit Saccharomyces cerevisiae, besser bekannt als Bäckerhefe, verwandt sind.

Sie wählten diese Gruppe aufgrund der großen Artenvielfalt, die identifiziert worden war, und ihrer stark variierenden Kohlenstoffernährung.

„Wir haben viele Filialen, manche liegen dicht beieinander, manche weiter voneinander entfernt“, sagt Hittinger. „Man hat einfach jede Menge Möglichkeiten, die gleichen oder ähnliche Evolutionsverläufe zu erforschen. Wir können Merkmale erkennen, die ein Dutzend Mal gewonnen oder verloren wurden.“

Was sie nicht wussten, war, wie die Arten miteinander verwandt waren.

Nach der Zusammenstellung der Daten verwendeten die Forscher maschinelle Lernwerkzeuge, um herauszufinden, welche Gene mit welchen Merkmalen verbunden sind, einschließlich der Bandbreite an Ressourcen, die ein Organismus nutzen kann, oder der Bedingungen, die er tolerieren kann – ein Konzept, das als „Nischenbreite“ bekannt ist.

Wie andere Organismen haben sich einige Hefen zu Spezialisten entwickelt – man denke an Koalas, die nichts außer Eukalyptusblättern fressen –, während andere Generalisten wie Waschbären sind, die so gut wie alles fressen.

Wissenschaftler versuchen zu erklären, warum es sowohl Generalisten als auch Spezialisten gibt, fast seit Charles Darwin 1859 seine Evolutionstheorie vorstellte.

„Diese Ideen verbreiteten sich zur Zeit Darwins und bald darauf, als die Menschen begannen, sich stärker auf die Ökologie als Grundlage für die Funktionsweise der natürlichen Selektion zu konzentrieren“, sagt Hittinger.

Wissenschaftler haben zwei allgemeine Modelle vorgeschlagen, um das Phänomen zu erklären.

Man schlägt vor, dass Generalisten zwar Alleskönner sind, aber keines beherrschen, was bedeutet, dass sie ein breiteres Spektrum an Erkrankungen oder Nahrungsquellen tolerieren können, aber nicht so dominant sind wie ein Spezialist in einer bestimmten Nische.

Die andere Theorie besagt, dass eine Kombination aus internen und externen Faktoren die Nischenvariation vorantreibt.

Beispielsweise können Organismen Gene erwerben, die es ihnen ermöglichen, Enzyme herzustellen, die in der Lage sind, mehr als eine Substanz abzubauen, wodurch die Palette der Nahrungsmittel, die sie essen können, erweitert wird. Umgekehrt kann ein zufälliger Verlust von Genen im Laufe der Zeit zu einem schmaleren Gaumen führen.

Ebenso können Umgebungen selektiven Druck auf Merkmale ausüben. Ein Lebensraum mit nur einer oder zwei Nahrungsquellen oder konstanten Temperaturen würde also Spezialisten begünstigen, während Generalisten in einer Umgebung mit einem breiteren Spektrum an Nahrungsmitteln oder Bedingungen besser abschneiden könnten.

Beim Hefestoffwechsel fand Hittingers Team keine Hinweise auf Kompromisse.

„Die Generalisten sind bei allen Kohlenstoffquellen, die sie nutzen können, besser“, sagt Hittinger. „Generalisten sind auch in der Lage, mehr Stickstoffquellen zu nutzen als Kohlenstoffspezialisten. Diesen Zusammenhang hätte ich überhaupt nicht vorhergesehen.“

Die Daten zeigten auch, dass Umweltfaktoren nur eine begrenzte Rolle spielen.

Auch das war überraschend, sagt Co-Autorin Dana Opulente, die das Projekt als Postdoktorandin an der UW-Madison begann und jetzt Assistenzprofessorin für Biologie an der Villanova University ist.

„Wir könnten erwarten, dass wir vor allem Spezialisten für domestizierte Sorten finden, aber das ist nicht der Fall“, sagt Opulente. „Wir können Generalisten und Spezialisten für Boden und Blumen finden. Wir finden sie an den gleichen Orten.“

Hittinger weist darauf hin, dass es Einschränkungen hinsichtlich der Schlussfolgerungen aus den Daten gibt. Es ist möglich, dass bei Arten, die nicht untersucht wurden, Kompromisse vorliegen. Und die Laborexperimente zur Messung des Stoffwechselwachstums können die Bedingungen in Böden, Baumrinde oder Insektendärmen, in denen Hefen in der Natur leben, nicht nachbilden.

Opulente arbeitet nun daran, mehr Daten zu diesen natürlichen Umgebungen zu sammeln, die einen stärkeren ökologischen Einfluss auf die Nischenbreite aufzeigen könnten.

„Wenn wir mehr Daten haben, könnten viele andere Fragen gestellt werden“, sagt Opulente.

Die Studie erklärt auch nicht, warum nicht alle Hefen Generalisten sind, wenn es keine Kompromisse gibt.

Eine mögliche Erklärung ist, dass Gene im Laufe der Evolution oft verschwinden und Mutationen weitergegeben werden und eine Population übernehmen können, solange sie nicht überlebenswichtig sind. Durch diesen Prozess können sich Spezialisten kontinuierlich von Generalisten weiterentwickeln.

„Ich bin mir noch nicht sicher, ob wir diese Frage beantwortet haben“, sagt Hittinger.