Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

Hefen sind einzellige Pilze, die die Menschheitsgeschichte geprägt haben, indem sie Traubensaft in Wein und Teig in Brot verwandelt haben. Während viele Menschen sie für ihre Rolle bei der Fermentation kennen, besitzen diese mikroskopisch kleinen Organismen auch eine komplexe interne Maschinerie, die es ihnen ermöglicht, in völlig unterschiedlichen Umgebungen zu überleben. Ein Schlüssel zu ihrem Überleben ist die Art und Weise, wie sie essen. Die meisten Hefen bevorzugen den Verzehr einfacher Zucker, aber einige haben die Fähigkeit entwickelt, Nitrat abzubauen – eine Verbindung, die in Boden und Wasser vorkommt –, um die Proteine aufzubauen, die sie zum Wachsen benötigen. Diese Fähigkeit ist unter Hefen nicht verbreitet, was jene, die sie besitzen, für Wissenschaftler besonders interessant macht. Wenn eine Hefenart zwischen verschiedenen Nahrungsquellen wechseln kann, kann sie an Orten gedeihen, an denen andere es nicht können, wie etwa in den vielfältigen Fermentationsbehältern, die in der Weinherstellung verwendet werden, oder in den natürlichen Umgebungen, in denen sie leben. Zu verstehen, wie diese winzigen Organismen die Fähigkeit erlangen oder verlieren, bestimmte Nährstoffe zu nutzen, hilft Forschern zu sehen, wie sich das Leben im Laufe der Zeit an Veränderungen anpasst, insbesondere wenn ihr genetischer Bauplan durch das Besitzen mehrerer Chromosomensätze kompliziert ist.

Ein Forscherteam wandte seine Aufmerksamkeit kürzlich auf Brettanomyces bruxellensis, eine Hefeart, die für ihre große genetische Vielfalt und ihr Vorkommen in vielen Fermentationsumgebungen bekannt ist. Diese Spezies ist einzigartig, da sie Linien umfasst, die diploid sind – das heißt, sie besitzen zwei Chromosomensätze –, sowie Linien, die triploid sind und drei Sätze tragen. Einige dieser triploiden Linien sind das Ergebnis einer Hybridisierung, bei der zwei verschiedene Arten von Hefen verschmolzen, um einen neuen, komplexeren Genom zu erschaffen. Die Wissenschaftler wollten verstehen, wie die Fähigkeit, Nitrat zu verwerten, über diese verschiedenen genetischen Gruppen verteilt ist und was mit den Genen geschieht, die für dieses Merkmal verantwortlich sind, wenn die genetische Struktur der Hefe so kompliziert wird. Um dies zu untersuchen, sammelten sie eine enorme Menge an Daten, indem sie die Wachstumsgewohnheiten von 151 verschiedenen Stämmen im Labor testeten und die vollständigen genetischen Blaupausen von 946 Stämmen untersuchten.

Die Forscher fanden heraus, dass die Fähigkeit zur Nitratassimilation unter diesen Hefen weit verbreitet ist, aber nicht gleichermaßen geteilt wird. Einige Gruppen der Hefe haben diese Fähigkeit behalten, während andere sie vollständig verloren haben. Als das Team die Gene untersuchte, die für das Essen von Nitrat verantwortlich sind, entdeckten sie, dass das Merkmal stark davon abhängt, wie viele Kopien dieser Gene ein Stamm besitzt und ob diese Kopien noch ordnungsgemäß funktionieren. Stämme, die Nitrat essen konnten, trugen im Allgemeinen mehr funktionale Kopien des Genclusters als jene, die es nicht konnten. Diese Variation in der Genanzahl und -qualität lieferte eine klare Verbindung zwischen dem genetischen Aufbau der Hefe und ihrer Fähigkeit, von Nitrat zu leben.

Der aufschlussreichste Teil der Studie ergab sich aus der Analyse der triploiden Linien, die sowohl ein primäres als auch ein erworbenes Genom enthalten. Durch die getrennte Betrachtung dieser beiden Teile deckten die Wissenschaftler einen markanten Unterschied in deren Evolution auf. Die Gene für die Nitratassimilation wurden im primären Genom meist intakt gehalten, was darauf hindeutet, dass dieser Teil der Zelle sehr darauf bedacht ist, das Merkmal zu bewahren. Im Gegensatz dazu zeigte das erworbene Genom eine viel höhere Rate an Genverlust und -schädigung. Das bedeutet, dass nach der Verschmelzung der zwei Hefetypen das neue genetische Material dazu neigte, die Fähigkeit zum Nitratessen zu verlieren, während das ursprüngliche genetische Material diese beibehielt. Dies schafft eine ungleiche Dynamik, in der ein Teil der genetischen Bibliothek der Zelle nützlich bleibt, während der andere Teil degradiert.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Fähigkeit, Nitrat zu verwerten, ein uraltes Merkmal ist, das die Hefen von ihren Vorfahren geerbt haben. Im Laufe der Zeit haben verschiedene Linien diese Fähigkeit basierend auf ihren spezifischen Bedürfnissen und der Stabilität ihrer Genome entweder behalten oder verworfen. Die Studie zeigt, dass in komplexen, hybriden Organismen die zwei Sätze des genetischen Materials nicht immer auf die gleiche Weise evolvieren. Ein Satz kann stabil und funktional bleiben, während der andere einen schnellen Wandel und Verlust durchläuft. Diese Forschung liefert ein klares Bild davon, wie die Genomarchitektur und die Vermischung verschiedener genetischer Linien die Überlebensstrategien einer industriell wichtigen Hefe prägen, und zeigt auf, dass die Aufrechterhaltung eines nützlichen Merkmals von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Genkopien und der spezifischen Geschichte des Genoms abhängt.