Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

酵母は、ブドウ果汁をワインに、生地をパンへと変えるなど、人類の歴史を形作ってきた単細胞の真菌です。多くの人々は発酵における役割で酵母を知っていますが、これらの微小な生物は、全く異なる環境下でも生き残ることを可能にする複雑な内部機構も備えています。彼らの生存の鍵の一つは、その「食べ方」にあります。ほとんどの酵母は単純な糖分を消費することを好みますが、中には土壌や水に含まれる化合物である硝酸塩を分解し、成長に必要なタンパク質を構築する能力を進化させたものもいます。この能力は多くの酵母の間では一般的ではなく、それを持つ酵母は科学者にとって特に興味深い存在となっています。ある種の酵母が異なる食物源を使い分けることができる場合、ワイン造りに用いられる多様な発酵タンクや、彼らが本来生息する自然環境など、他の酵母が生きられない場所でも繁栄することができます。これら微小な生物がいかにして特定の栄養素を利用する能力を獲得、あるいは喪失するのかを理解することは、複数の染色体セットを持つことで遺伝的構成が複雑化している場合に、生命がいかにして変化に適応していくかを知る助けとなります。

研究チームは最近、幅広い遺伝的多様性を持ち、多くの発酵現場に存在する酵母の一種であるBrettanomyces bruxellensisに注目しました。この種は、二倍体（染色体を2セット持つ）の系統と、三倍体（3セットを持つ）の系統の両方を含むという点で独特です。一部の三倍体系統は、2種類の異なる酵母が融合してより複雑なゲノムを持つ新しい個体を生み出す「ハイブリダイゼーション（交雑）」の結果によるものです。科学者たちは、硝酸塩を摂取する能力がこれらの異なる遺伝グループ間でどのように分布しているのか、そして酵母の遺伝構造がこれほど複雑になったときに、この形質を司る遺伝子に何が起こるのかを解明したいと考えました。そのために、彼らは151種類の異なる菌株の実験室での生育特性をテストし、946種類の菌株の完全な遺伝的設計図を調査するという、膨大な量のデータを収集しました。

研究者たちは、硝酸塩を同化する能力はこの酵母の間で広く見られるものの、平等に共有されているわけではないことを発見しました。酵母のグループによっては、この能力を維持しているものもあれば、完全に失っているものもあります。チームが硝酸塩摂取を司る遺伝子を調べたところ、この形質は、菌株がその遺伝子のコピーをいくつ持っているか、そしてそれらのコピーが適切に機能しているかどうかに大きく依存していることが判明しました。硝酸塩を摂取できる菌株は、できない菌株よりも、機能的な遺伝子クラスターのコピーを多く保持していました。この遺伝子の数と質のバリエーションは、酵母の遺伝的構成と硝酸塩による生存能力との間の明確な関連性を示していました。

研究の中で最も啓示的な部分は、主要ゲノムと獲得ゲノムの両方を含む三倍体系統の分析から得られました。これら2つの部分を個別に分析することで、科学者たちはその進化における劇的な違いを明らかにしました。硝酸塩同化のための遺伝子は通常、主要ゲノムにおいて損なわれることなく保持されており、これは細胞のこの部分がこの形質を維持することに非常に慎重であることを示唆しています。対照的に、獲得ゲノムでは遺伝子の消失と損傷の割合がはるかに高いことが示されました。これは、2種類の酵母が融合した後、新しい遺伝物質は硝酸塩を摂取する能力を失う傾向がある一方で、元の遺伝物質はそれを保持し続けたことを意味します。これにより、一方の細胞の遺伝ライブラリが有用であり続ける一方で、もう一方が退化するという、不均衡なダイナミクスが生み出されます。

これらの知見は、硝酸塩を摂取する能力が、酵母がその祖先から受け継いだ古代の形質であることを示唆しています。時を経て、異なる系統は、それぞれの特定のニーズやゲノムの安定性に基づいて、この能力を保持するか、あるいは放棄してきました。この研究は、複雑なハイブリッド生物において、2つの遺伝的要素が必ずしも同じように進化するわけではないことを示しています。一方のセットは安定して機能し続ける一方で、もう一方は急速な変化と消失を経験することがあります。この研究は、ゲノム構造と異なる遺伝的系統の混合が、産業的に重要な酵母の生存戦略をいかに形作るかについての明確な姿を提示しており、有用な形質の維持が、遺伝子のコピー数とゲノムの特定の履歴との間の繊細なバランスに依存していることを明らかにしています。