Исследование пивных дрожжей выявило неожиданный эволюционный процесс
Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон сделали неожиданное открытие, изучая штамм дрожжей, родственный тем, что используются для ферментации пива. Они наблюдали, как дрожжи в процессе эволюции оставили позади половину своего генетического материала.
Их исследование, опубликованное на этой неделе в журнале PLOS Biology, началось с простой цели — изучить штамм диких дрожжей Saccharomyces eubayanus, дикого родителя гибридных штаммов, используемых в производстве лагерного пива.
Ключевое свойство дрожжей для пивоварения — способность расщеплять мальтозу, самый распространенный сахар в пивном сусле. Команда выбрала штамм, который в ходе эволюции утратил эту способность, хотя и обладал многими генами, необходимыми для метаболизма мальтозы. Проведя эксперименты по эволюции, выращивая дрожжи на мальтозе и отбирая наиболее успешные потомства, учёные обнаружили, что их S. eubayanus вновь обрели способность усваивать мальтозу.
Однако механизм изменений был неочевиден.
«Мы буквально бились головой о стену, потому что не могли понять, какие именно генетические изменения лежат в основе адаптации этих изолятов, улучшивших метаболизм мальтозы», — говорит Джон Крэндалл, первый автор статьи и докторант в лаборатории профессора генетики Криса Тодда Хиттингера.
Изменение оказалось не простой мутацией в конкретном гене, а гораздо более драматичным: в ходе эксперимента дрожжи потеряли половину своего генетического материала. Точнее, все хромосомы утратили свою пару, превратившись из диплоидов (с двумя копиями каждой хромосомы, как у человека) в гаплоиды (с одной копией каждой хромосомы, как наши гаметы — яйцеклетки и сперматозоиды).
Число наборов хромосом у организма, известное как плоидность, является одним из фундаментальных аспектов биологии.
«Она определяет структуру и содержание генома, что, в свою очередь, имеет множество последствий для жизненного цикла и эволюционных траекторий», — поясняет Крэндалл.
Изменения плоидности у дрожжей наблюдались и раньше, но обычно гаплоиды становятся диплоидами, а не наоборот. Такое изменение часто влечёт за собой смену типа клетки, что напрямую влияет на половое размножение. Но в данном случае оно повлияло на метаболизм сахара.
«Было много разных факторов, которые нужно было разделить: сама абсолютная плоидность, тип клетки, как эти разные вещи влияют на приспособленность [рост и размножение]. Это нас заинтересовало, потому что существуют разные теоретические модели, объясняющие, почему сама по себе плоидность может влиять на приспособленность», — объясняет Крэндалл. — «Но не было хорошей модели, почему тип клетки должен влиять на приспособленность в этих условиях, что и делает результат особенно удивительным».
Новое исследование, возможно, даёт наиболее чёткое механистическое понимание того, как изменение плоидности напрямую влияет на рост и метаболизм. Это открытие может найти применение в различных областях, таких как медицина, производство биотоплива и другие отрасли, связанные с грибами.
«У многих патогенных, клинически или промышленно значимых видов, которые интересуют учёных, тип клетки или плоидность могут представлять собой недостаточно изученное измерение вариативности признаков», — заключает Крэндалл.