酵母研究为为什么某些物种是多面手而另一些物种是专家提供了可能的答案

在一项基于有史以来最全面的基因组数据集之一的里程碑式研究中，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为关于进化的一个最古老的问题提供了可能的答案：为什么一些物种是通才，而另一些物种是专家

在UW&ndash；麦迪逊遗传学教授Chris Todd Hittinger和范德比尔特大学生物学教授Antonis Rokas，研究人员绘制了1000多种酵母的基因蓝图、食欲和环境，构建了一个家谱，阐明了这些单细胞真菌在过去4亿年中是如何进化的

发表在《科学》杂志上的研究结果表明；不是外部的&mdash；因素是酵母所能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样性或吃不同食物的能力会带来任何权衡。换言之，一些酵母是各行各业的行家和大师

“这真的，真的让我们感到惊讶，”赫廷格说，“专家应该更擅长他们所擅长的碳源。而多面手，如果他们什么都吃，他们就不应该那么好。相反，这不是我们所看到的。”

这篇论文是一个持续十年的项目的产物，该项目旨在建立一个全面的数据库，绘制酵母基因组和特征之间的关系，酵母是一组与所有动物一样基因多样的物种。基因组数据集是有史以来为这样一个古老而多样的群体汇编的最全面的数据集

大湖区生物能源研究中心研究酵母代谢的研究员Hittinger表示，除了加深我们对生物多样性的理解外，该数据库还可以帮助研究人员识别或创造更善于将植物糖转化为生物燃料和其他化石燃料替代品的酵母

许多分支，各种各样的食欲

从2015年开始，赫廷格的团队对基因组进行了测序，并研究了与酿酒酵母（更广为人知的是面包酵母）亲缘关系较远的一组酵母中几乎所有已知物种的代谢

他们之所以选择这一群体，是因为已经确定的物种种类繁多，而且它们的碳饮食变化很大

赫廷格说：“我们有很多分支，有些分支靠得很近，有些分支相距更远。”。“你有很多机会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了十几次的特征。”

他们不知道的是物种之间的关系

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特征相关，包括生物体可以使用的资源范围或它可以容忍的条件&mdash；一个被称为“生态位广度”的概念。

与其他生物一样，一些酵母已经进化为专家&mdash；想想考拉，它们什么都不吃，只吃桉树叶&mdash；而另一些则是多面手，比如浣熊，它们几乎什么都吃

自从查尔斯·达尔文于1859年提出进化论以来，科学家们一直在试图解释为什么多面手和专家都存在。

“这些想法在达尔文时代就开始渗透，此后不久，人们开始将生态学作为自然选择工作的基础，”赫廷格说

科学家们提供了两个广泛的模型来解释这一现象

有人认为多面手是万事通，但不是万能的，这意味着他们可以容忍更广泛的条件或食物来源，但在任何特定的领域都不如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驱动了生态位的变化

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的范围。相反，随着时间的推移，基因的随机缺失会导致味觉变窄

同样，环境也会对性状施加选择性压力。因此，只有一两种食物来源或恒定温度的栖息地会有利于专家，而多面手在食物或条件更广泛的环境中可能会做得更好

当谈到酵母代谢时，赫廷格的团队没有发现权衡的证据

赫廷格说：“通才在他们可以使用的所有碳源中都表现得更好。”。“与碳专家相比，专家也能够使用更多的氮源。我根本无法预测这种关系。”

数据还表明，环境因素只起到有限的作用

这也令人惊讶，合著者Dana Opulente说，她在UW&ndash；麦迪逊，现为维拉诺瓦大学生物学助理教授

Opulente说：“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。”。“我们可以在土壤和花卉方面找到通才和专家。我们在所有相同的地方都能找到他们。”

Hittinger警告说，从数据中推断出的东西是有限的。有可能在没有被研究的物种中存在权衡。用于测量代谢生长的实验室实验无法复制自然界中酵母生活的土壤、树皮或昆虫肠道中的条件

Opulente目前正在努力收集更多关于这些自然环境的数据，这可能会揭示生态位宽度的更强生态影响

Opulente说：“如果我们有更多的数据，还有很多其他问题可以问。”

这项研究也没有解释为什么，如果没有权衡，所有酵母都不是多面手

一种可能的解释是，基因经常与