Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

Les levures sont des champignons unicellulaires qui ont façonné l'histoire de l'humanité, transformant le jus de raisin en vin et la pâte en pain. Bien que beaucoup de gens les connaissent pour leur rôle dans la fermentation, ces organismes microscopiques possèdent également une machinerie interne complexe qui leur permet de survivre dans des environnements très différents. L'une des clés de leur survie réside dans leur façon de se nourrir. La plupart des levures préfèrent consommer des sucres simples, mais certaines ont développé la capacité de décomposer le nitrate, un composé présent dans le sol et l'eau, pour construire les protéines dont elles ont besoin pour croître. Cette capacité n'est pas commune chez les levures, ce qui rend celles qui la possèdent particulièrement intéressantes pour les scientifiques. Lorsqu'une espèce de levure peut alterner entre différentes sources de nourriture, elle peut prospérer dans des endroits où d'autres ne le peuvent pas, comme les diverses cuves de fermentation utilisées dans la vinification ou les environnements naturels où elles vivent. Comprendre comment ces minuscules organismes acquièrent ou perdent la capacité d'utiliser des nutriments spécifiques aide les chercheurs à voir comment la vie s'adapte au changement au fil du temps, surtout lorsque leur composition génétique est complexifiée par le fait de posséder plusieurs ensembles de chromosomes.

Une équipe de chercheurs a récemment porté son attention sur Brettanomyces bruxellensis, une espèce de levure connue pour sa grande variété génétique et sa présence dans de nombreux contextes de fermentation. Cette espèce est unique car elle comprend des lignées diploïdes, ce qui signifie qu'elles possèdent deux ensembles de chromosomes, ainsi que des lignées triploïdes, qui en portent trois. Certaines de ces lignées triploïdes sont le résultat d'une hybridation, où deux types différents de levures ont fusionné pour créer un génome nouveau et plus complexe. Les scientifiques voulaient comprendre comment la capacité de consommer du nitrate est répartie entre ces différents groupes génétiques et ce qui arrive aux gènes responsables de ce trait lorsque la structure génétique de la levure devient si complexe. Pour ce faire, ils ont rassemblé une quantité massive de données, testant les habitudes de croissance de 151 souches différentes en laboratoire et examinant les plans génétiques complets de 946 souches.

Les chercheurs ont découvert que la capacité d'assimiler le nitrate est répandue parmi ces levures, mais qu'elle n'est pas partagée de manière égale. Certains groupes de levures ont conservé cette capacité, tandis que d'autres l'ont entièrement perdue. Lorsque l'équipe a examiné les gènes responsables de la consommation de nitrate, elle a découvert que ce trait dépend fortement du nombre de copies de ces gènes qu'une souche possède et de savoir si ces copies fonctionnent correctement. Les souches capables de consommer du nitrate possédaient généralement plus de copies fonctionnelles de l'amas de gènes que celles qui ne le pouvaient pas. Cette variation du nombre et de la qualité des gènes a fourni un lien clair entre la composition génétique de la levure et sa capacité à survivre grâce au nitrate.

La partie la plus révélatrice de l'étude est venue de l'analyse des lignées triploïdes, qui contiennent à la fois un génome primaire et un génome acquis. En examinant ces deux parties séparément, les scientifiques ont découvert une différence frappante dans la façon dont elles ont évolué. Les gènes pour l'assimilation du nitrate étaient généralement conservés intacts dans le génome primaire, suggérant que cette partie de la cellule est très attentive à préserver ce trait. En revanche, le génome acquis présentait un taux de perte et de dommages géniques beaucoup plus élevé. Cela signifie qu'après la fusion des deux types de levures, le nouveau matériel génétique avait tendance à perdre la capacité de consommer du nitrate, tandis que le matériel génétique original la maintenait. Cela crée une dynamique inégale où une partie de la bibliothèque génétique de la cellule reste utile tandis que l'autre se dégrade.

Ces conclusions suggèrent que la capacité de consommer du nitrate est un trait ancien dont la levure a hérité de ses ancêtres. Au fil du temps, différentes lignées ont conservé ou abandonné cette capacité en fonction de leurs besoins spécifiques et de la stabilité de leurs génomes. L'étude montre que, dans les organismes complexes et hybrides, les deux ensembles de matériel génétique ne suivent pas toujours la même voie évolutive. Un ensemble peut rester stable et fonctionnel, tandis que l'autre subit des changements et des pertes rapides. Cette recherche offre un portrait clair de la manière dont l'architecture du génome et le mélange de différentes lignées génétiques peuvent façonner les stratégies de survie d'une levure d'importance industrielle, révélant que le maintien d'un trait utile dépend d'un équilibre délicat entre les copies de gènes et l'histoire spécifique du génome.