Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

I lieviti sono funghi unicellulari che hanno plasmato la storia umana, trasformando il succo d'uva in vino e l'impasto in pane. Sebbene molte persone li conoscano per il loro ruolo nella fermentazione, questi microrganismi possiedono anche un complesso macchinario interno che permette loro di sopravvivere in ambienti vastamente diversi. Una chiave della loro sopravvivenza è il modo in cui si nutrono. La maggior parte dei lieviti preferisce consumare zuccheri semplici, ma alcuni hanno sviluppato la capacità di scomporre il nitrato, un composto presente nel suolo e nell'acqua, per costruire le proteine necessarie alla loro crescita. Questa capacità non è comune tra i lieviti, il che rende quelli che la possiedono particolarmente interessanti per gli scienziati. Quando una specie di lievito può alternare tra diverse fonti di cibo, può prosperare in luoghi dove altri non possono, come i diversi serbatoi di fermentazione utilizzati nella vinificazione o gli ambienti naturali in cui vivono. Comprendere come questi minuscoli organismi acquisiscano o perdano la capacità di utilizzare nutrienti specifici aiuta i ricercatori a vedere come la vita si adatti al cambiamento nel tempo, specialmente quando il loro corredo genetico è complicato dal possedere molteplici set di cromosomi.

Un team di ricercatori ha recentemente rivolto la propria attenzione a Brettanomyces bruxellensis, una specie di lievito nota per la sua ampia varietà genetica e la sua presenza in molti contesti di fermentazione. Questa specie è unica perché include lignaggi che sono diploidi, ovvero hanno due set di cromosomi, così come lignaggi che sono triploidi, che portano tre set. Alcuni di questi lignaggi triploidi sono il risultato dell'ibridazione, dove due tipi diversi di lievito si sono fusi per creare un genoma nuovo e più complesso. Gli scienziati volevano capire come la capacità di mangiare nitrato sia distribuita tra questi diversi gruppi genetici e cosa accada ai geni responsabili di questo tratto quando la struttura genetica del lievito diventa così intricata. Per fare ciò, hanno raccolto una quantità massiccia di dati, testando le abitudini di crescita di 151 diversi ceppi in laboratorio ed esaminando i completi progetti genetici di 946 ceppi.

I ricercatori hanno scoperto che la capacità di assimilare il nitrato è diffusa tra questi lieviti, ma non è condivisa equamente. Alcuni gruppi di lievito hanno mantenuto questa capacità, mentre altri l'hanno persa interamente. Quando il team ha esaminato i geni responsabili del consumo di nitrato, ha scoperto che il tratto dipende fortemente da quante copie di questi geni un ceppo possiede e se tali copie funzionano correttamente. I ceppi che potevano mangiare nitrato generalmente possedevano più copie funzionali del gruppo genico rispetto a quelli che non potevano farlo. Questa variazione nel numero e nella qualità dei geni ha fornito un chiaro collegamento tra il corredo genetico del lievito e la sua capacità di sopravvivere con il nitrato.

La parte più rivelatrice dello studio è emersa dall'analisi dei lignaggi triploidi, che contengono sia un genoma primario che un genoma acquisito. Osservando separatamente queste due parti, gli scienziati hanno scoperto una differenza sorprendente nel modo in cui si sono evolute. I geni per l'assimilazione del nitrato sono stati solitamente mantenuti intatti nel genoma primario, suggerendo che questa parte della cellula sia molto attenta a preservare il tratto. Al contrario, il genoma acquisito ha mostrato un tasso molto più elevato di perdita e danneggiamento genico. Ciò significa che dopo la fusione dei due tipi di lievito, il nuovo materiale genetico tendeva a perdere la capacità di mangiare nitrato, mentre il materiale genetico originale la manteneva. Questo crea una dinamica diseguale in cui una parte della biblioteca genetica della cellula rimane utile mentre l'altra decade.

Queste scoperte suggeriscono che la capacità di mangiare nitrato sia un tratto antico che il lievito ha ereditato dai suoi antenati. Nel tempo, diversi lignaggi hanno mantenuto o scartato questa capacità in base alle loro esigenze specifiche e alla stabilità dei loro genomi. Lo studio dimosta che, negli organismi complessi e ibridi, i due set di materiale genetico non si evolvono sempre nello stesso modo. Un set può rimanere stabile e funzionale, mentre l'altro subisce cambiamenti rapidi e perdite. Questa ricerca fornisce un quadro chiaro di come l'architettura del genoma e la miscelazione di diversi lignaggi genetici possano plasmare le strategie di sopravvivenza di un lievito di importanza industriale, rivelando che il mantenimento di un tratto utile dipende da un delicato equilibrio tra le copie dei geni e la storia specifica del genoma.