Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

تُعد الخمائر فطريات وحيدة الخلية شكلت التاريخ البشري، حيث حولت عصير العنب إلى نبيذ والعجين إلى خبز. وبينما يعرفها الكثيرون بدورها في التخمير، إلا أن هذه الكائنات المجهرية تمتلك أيضًا آلات داخلية معقدة تسمح لها بالبقاء في بيئات مختلفة تمامًا. أحد مفاتيح بقائها هو كيفية تغذيتها؛ فمعظم أنواع الخميرة تفضل استهلاك السكريات البسيطة، لكن بعضها طور القدرة على تفكيك النترات، وهو مركب موجود في التربة والمياه، لبناء البروتينات التي تحتاجها للنمو. هذه القدرة ليست شائعة بين أنواع الخميرة، مما يجعل تلك التي تمتلكها مثيرة للاهتمام بشكل خاص للعلماء. فعندما تستطيع فصيلة من الخميرة التنقل بين مصادر غذائية مختلفة، يمكنها الازدهار في أماكن لا تستطيع غيرها من الفصائل العيش فيها، مثل خزانات التخمير المتنوعة المستخدمة في صناعة النبيذ أو البيئات الطبيعية التي تعيش فيها. إن فهم كيفية اكتساب هذه الكائنات الدقيقة لهذه القدرة على استخدام مغذيات معينة أو فقدانها يساعد الباحثين على رؤية كيف يتكيف شكل الحياة مع التغيير بمرور الوقت، خاصة عندما تتعقد تركيبتها الجينية بسبب امتلاك مجموعات متعددة من الكروموسومات.

لقد وجه فريق من الباحثين اهتمامهم مؤخرًا إلى Brettanomyces bruxellensis، وهي فصيلة من الخميرة معروفة بتنوعها الجيني الواسع وتواجدها في العديد من بيئات التخمير. وتتميز هذه الفصيلة بأنها تضم سلالات ثنائية الصيغة الصبغية (diploid)، أي أنها تمتلك مجموعتين من الكروموسومات، وسلالات ثلاثية الصيغة الصبغية (triploid)، تحمل ثلاث مجموعات. وبعض هذه السلالات ثلاثية الصيغة الصبغية هي نتيجة لعملية التهجين، حيث اندمج نوعان مختلفان من الخميرة لإنشاء جينوم جديد أكثر تعقيدًا. أراد العلماء فهم كيفية توزيع القدرة على أكل النترات عبر هذه المجموعات الجينية المختلفة، وماذا يحدث للجينات المسؤلة عن هذه السمة عندما تصبح البنية الجينية للخميرة بهذا القدر من التعقيد. وللقيام بذلك، جمعوا قدرًا هائلًا من البيانات، حيث اختبروا عادات النمو لـ 151 سلالة مختلفة في المختبر وفحصوا المخططات الجينية الكاملة لـ 946 سلالة.

وجد الباحثون أن القدرة على استيعاب النترات منتشرة على نطاق واسع بين أنواع الخميرة هذه، لكنها ليست مشتركة بالتساوي؛ فبعض مجموعات الخميرة احتفظت بهذه القدرة، بينما فقدتها مجموعات أخرى تمامًا. وعندما نظر الفريق في الجينات المسؤولة عن أكل النترات، اكتشفوا أن هذه السمة تعتمد بشكل كبير على عدد النسخ التي تمتلكها السلالة من هذه الجينات وما إذا كانت تلك النسخ لا تزال تعمل بشكل صحيح. فالأصناف التي استطاعت أكل النترات كانت تحمل عمومًا نسخًا وظيفية أكثر من مجموعة الجينات مقارنة بتلك التي لم تستطع ذلك. وقد وفر هذا التباين في عدد الجينات وجودتها رابطًا واضحًا بين التركيبة الجينية للخميرة وقدرتها على البقاء على النترات.

جاء الجزء الأكثر كشفًا في الدراسة من خلال تحليل السلالات ثلاثية الصيغة الصبغية، والتي تحتوي على جينوم أولي وجينوم مكتسب. ومن خلال فحص هذين الجزأين بشكل منفصل، كشف العلماء عن اختلاف صارخ في كيفية تطورهما؛ حيث كانت الجينات الخاصة باستيعاب النترات تُحفظ عادةً سليمة في الجينوم الأولي، مما يشير إلى أن هذا الجزء من الخلية حريص جدًا على الحفاظ على هذه السمة. وفي المق المقابل، أظهر الجينوم المكتسب معدلًا أعلى بك من فقدان الجينات وتلفها. وهذا يعني أنه بعد اندماج نوعي الخميرة، مالت المادة الجينية الجديدة إلى فقدان القدرة على أكل النترات، بينما تمسكت المادة الجينية الأصلية بها. وهذا يخلق ديناميكية غير متكافئة حيث يظل جزء من المكتبة الجينية للخلية مفيدًا بينما يتدهور الجزء الآخر.

تشير هذه النتائج إلى أن القدرة على أكل النترات هي سمة قديمة ورثتها الخميرة عن أسلافها. ومع مرور الوقت، حافظت السلالات المختلفة على هذه القدرة أو تخلصت منها بناءً على احتياجاتها المحددة واستقرار جينوماتها. وتظهر الدراسة أنه في الكائنات الهجينة المعقدة، لا تتطور مجموعتان من المواد الجينية بنفس الطريقة دائمًا؛ فقد يظل أحد المجموعتين مستقرًا ووظيفيًا، بينما يشهد الآخر تغيرًا وفقدانًا سريعًا. يوفر هذا البحث صورة واضحة لكيفية تشكيل بنية الجينوم واختلاط السلالات الجينية المختلفة لاستراتيجيات البقاء لنوع من الخميرة ذي أهمية صناعية، موضحًا أن الحفاظ على سمة مفيدة يعتمد على توازن دقيق بين نسخ الجينات والتاريخ المحدد للجينوم.