Wetenschap
Gistonderzoek biedt een mogelijk antwoord op de vraag waarom sommige soorten generalisten zijn en andere specialisten
In een baanbrekend onderzoek, gebaseerd op een van de meest uitgebreide genomische datasets ooit verzameld, biedt een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison en Vanderbilt University een mogelijk antwoord op een van de oudste vragen over evolutie:waarom sommige soorten generalisten zijn en andere specialisten.
Onder leiding van UW-Madison hoogleraar genetica Chris Todd Hittinger en Antonis Rokas, hoogleraar biologie aan Vanderbilt, brachten onderzoekers de genetische blauwdrukken, eetlust en omgevingen van meer dan 1.000 soorten gisten in kaart, en bouwden ze een stamboom op die verduidelijkt hoe deze eencellige schimmels zijn de afgelopen 400 miljoen jaar geëvolueerd.
De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science suggereren dat interne – en niet externe – factoren de belangrijkste aanjagers zijn van variatie in de soorten koolstofgisten die ze kunnen eten, en de onderzoekers hebben geen bewijs gevonden dat metabolische veelzijdigheid, of het vermogen om verschillende soorten voedsel te eten, enige wisselwerking met zich meebrengt. Met andere woorden:sommige gisten zijn alleskunners en meesters van elk vak.
‘Dat heeft ons echt heel erg verrast’, zegt Hittinger. ‘Specialisten zouden beter moeten zijn in de koolstofbronnen waarin ze gespecialiseerd zijn. En generalisten, als ze alles opeten, zouden ze niet zo goed moeten zijn. En in plaats daarvan is dat niet wat we doen. wij zien."
Het artikel is het product van een lopend tien jaar durend project om een uitgebreide database op te bouwen die de relatie tussen genomen en eigenschappen van gisten in kaart brengt, een groep soorten die genetisch zo divers zijn als alle dieren. De genomische dataset is de meest uitgebreide die ooit is samengesteld voor zo'n oude en diverse groep.
Hittinger, een onderzoeker bij het Great Lakes Bioenergy Research Center die het gistmetabolisme bestudeert, zegt dat de database niet alleen ons begrip van de biodiversiteit bevordert, maar ook kan helpen bij het identificeren of creëren van gisten die plantensuikers beter kunnen omzetten in biobrandstoffen en andere alternatieven voor fossiele brandstoffen. .
Veel takken, gevarieerde trek
Vanaf 2015 heeft het team van Hittinger de genomen gesequenced en de stofwisseling bestudeerd van bijna elke bekende soort van een groep gisten die in de verte verwant zijn aan Saccharomyces cerevisiae, beter bekend als bakkersgist.
Ze kozen voor deze groep vanwege het brede scala aan soorten dat was geïdentificeerd en hun zeer variabele koolstofdieet.
"We hebben veel vestigingen, sommige liggen dicht bij elkaar, andere liggen verder uit elkaar", zegt Hittinger. "Je hebt gewoon heel veel mogelijkheden om dezelfde of vergelijkbare evolutionaire trajecten te verkennen. We kunnen eigenschappen zien die al tientallen keren zijn gewonnen of verloren."
Wat ze niet wisten, is hoe de soorten verwant waren.
Na het verzamelen van de gegevens gebruikten onderzoekers machine learning-tools om erachter te komen welke genen geassocieerd zijn met welke eigenschappen, inclusief de reeks hulpbronnen die een organisme kan gebruiken of de omstandigheden die het kan verdragen – een concept dat bekend staat als 'nichebreedte'.
Net als andere organismen zijn sommige gisten geëvolueerd tot specialisten (denk aan koala's, die niets anders eten dan eucalyptusbladeren), terwijl andere generalisten zijn, zoals wasberen, die vrijwel alles eten.
Wetenschappers proberen al sinds Charles Darwin in 1859 zijn evolutietheorie voorstelde, uit te leggen waarom zowel generalisten als specialisten bestaan.
"Deze ideeën sijpelden door in de tijd van Darwin, en kort daarna, toen mensen zich begonnen te verdiepen in ecologie als basis voor de manier waarop natuurlijke selectie werkt", zegt Hittinger.
Wetenschappers hebben twee brede modellen voorgesteld om het fenomeen te verklaren.
De ene suggereert dat generalisten alleskunners zijn, maar geen meesters, wat betekent dat ze een breder scala aan omstandigheden of voedselbronnen kunnen tolereren, maar niet zo dominant zijn als een specialist in een specifieke niche.
De andere theorie is dat een combinatie van interne en externe factoren nichevariatie stimuleert.
Organismen kunnen bijvoorbeeld genen verwerven waarmee ze enzymen kunnen maken die meer dan één stof kunnen afbreken, waardoor het scala aan voedingsmiddelen dat ze kunnen eten wordt uitgebreid. Omgekeerd kan willekeurig verlies van genen in de loop van de tijd resulteren in een smaller gehemelte.
Op dezelfde manier kunnen omgevingen selectieve druk uitoefenen op eigenschappen. Een habitat met slechts één of twee voedselbronnen of constante temperaturen zou dus de voorkeur geven aan specialisten, terwijl generalisten het misschien beter zouden doen in een omgeving met een breder scala aan voedsel of omstandigheden.
Als het gaat om het gistmetabolisme, heeft het team van Hittinger geen bewijs gevonden voor een wisselwerking.
"De generalisten zijn beter in alle koolstofbronnen die ze kunnen gebruiken", zegt Hittinger. "Generalisten kunnen ook meer stikstofbronnen gebruiken dan koolstofspecialisten. Dat verband had ik helemaal niet voorspeld."
Uit de gegevens bleek ook dat omgevingsfactoren slechts een beperkte rol spelen.
Ook dat was verrassend, zegt co-auteur Dana Opulente, die het project begon als postdoctoraal onderzoeker bij UW-Madison en nu assistent-professor biologie is aan de Villanova Universiteit.
"We zouden verwachten dat we vooral specialisten vinden in gedomesticeerde soorten, maar dat is niet het geval", zegt Opulente. "We kunnen generalisten en specialisten vinden op het gebied van grond en bloemen. We vinden ze op allemaal dezelfde plaatsen."
Hittinger waarschuwt dat er beperkingen zijn aan wat uit de gegevens kan worden afgeleid. Het is mogelijk dat er compromissen bestaan bij soorten die niet zijn onderzocht. En de laboratoriumexperimenten die worden gebruikt om de metabolische groei te meten, kunnen niet de omstandigheden nabootsen in de bodem, boomschors of insectendarmen waar gisten in de natuur leven.
Opulente werkt nu aan het verzamelen van meer gegevens over die natuurlijke omgevingen, die een sterkere ecologische invloed op de nichebreedte zouden kunnen onthullen.
"Als we meer gegevens hebben, kunnen er nog veel meer vragen worden gesteld", zegt Opulente.
Het onderzoek verklaart ook niet waarom, als er geen compromissen zijn, niet alle gisten generalisten zijn.
Een mogelijke verklaring is dat genen vaak verdwijnen tijdens de evolutie, en zolang het niet essentieel is voor het overleven, kan die mutatie doorgegeven worden en een populatie overnemen. Specialisten kunnen door dit proces voortdurend evolueren van generalisten.
"Ik ben er niet zeker van dat we die vraag al hebben beantwoord", zegt Hittinger.