Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

Gisten zijn eencellige schimmels die de menselijke geschiedenis hebben gevormd door sap in wijn en deeg in brood te veranderen. Hoewel veel mensen hen kennen vanwege hun rol in fermentatie, bezitten deze microscopische organismen ook een complexe interne machinerie die hen in staat stelt te overleven in zeer verschillende omgevingen. Een belangrijke sleutel tot hun overleving is hoe ze eten. De meeste gisten geven de voorkeur aan het consumeren van eenvoudige suikers, maar sommige hebben de mogelijkheid ontwikkeld om nitraat af te breken, een verbinding die in de bodem en het water wordt gevonden, om de eiwitten op te bouwen die ze nodig hebben om te groeien. Deze vaardigheid is niet algemeen onder gisten, wat degenen die deze bezitten bijzonder interessant maakt voor wetenschappers. Wanneer een gistsoort kan schakelen tussen verschillende voedingsbronnen, kan zij gedijen op plaatsen waar anderen dat niet kunnen, zoals de diverse fermentatietanks die worden gebruikt bij de wijnmakerij of de natuurlijke omgevingen waar zij leven. Begrijpen hoe deze kleine organismen de vaardigheid verkrijgen of verliezen om specifieke voedingsstoffen te gebruiken, helpt onderzoekers te zien hoe het leven zich door de tijd heen aanpassingen aan verandering aanpast, vooral wanneer hun genetische samenstelling ingewikkeld is door het hebben van meerdere sets chromosomen.

Een team van onderzoekers richtte zich onlangs op Brettanomyces bruxellensis, een gistsoort die bekend staat om zijn brede genetische variëteit en zijn aanwezigheid in veel fermentatieomgevingen. Deze soort is uniek omdat hij lineages bevat die diploïd zijn, wat betekent dat ze twee sets chromosomen hebben, evenals lineages die triploïd zijn, met drie sets. Sommige van deze triploïde lineages zijn het resultaat van hybridisatie, waarbij twee verschillende soorten gist fuseerden om een nieuwe, complexere genoom te creëren. De wetenschappers wilden begrijpen hoe de vaardigheid om nitraat te eten verdeeld is over deze verschillende genetische groepen en wat er gebeurt met de genen die verantwoordelijk zijn voor deze eigenschap wanneer de genetische structuur van de gist zo ingewikkeld wordt. Om dit te doen, verzamelden zij een enorme hoeveelheid gegevens, waarbij ze de groeigewoonten van 151 verschillende stammen in het laboratorium testten en de volledige genetische blauwdrukken van 946 stammen onderzochten.

De onderzoekers ontdekten dat het vermogen om nitraat te assimileren wijdverspreid is onder deze gisten, maar dat dit niet gelijkmatig wordt gedeeld. Sommige groepen van de gist hebben deze vaardigheid behouden, terwijl anderen deze volledig hebben verloren. Wanneer het team keek naar de genen die verantwoordelijk zijn voor het eten van nitraat, ontdekten zij dat de eigenschap sterk afhangt van hoeveel kopieën van deze genen een stam heeft en of die kopieën nog wel goed functioneren. Stammen die nitraat konden eten, bezaten over het algemeen meer functionele kopieën van de gencluster dan de stammen die dat niet konden. Deze variatie in genaantal en kwaliteit bood een duidelijke link tussen de genetische samenstelling van de gist en haar vermogen om op nitraat te overleven.

Het meest onthullende deel van de studie kwam voort uit de analyse van de triploïde lineages, die zowel een primair genoom als een verworven genoom bevatten. Door naar deze twee delen afzonderlijk te kijken, ontdekten de wetenschappers een opvallend verschil in hoe zij evolueerden. De genen voor nitraatassimilatie werden meestal intact gehouden in het primaire genoom, wat suggereert dat dit deel van de cel zeer zorgvuldig is in het behoud van de eigenschap. In contrast hiermee vertoonde het verworven genoom een veel hogere snelheid van genverlies en schade. Dit betekent dat nadat de twee gisttypen fuseerden, het nieuwe genetische materiaal de neiging had om het vermogen om nitraat te eten te verliezen, terwijl het oorspronkelijke genetische materiaal het vasthield. Dit creëert een ongelijke dynamiek waarbij één deel van de genetische bibliotheek van de cel nuttig blijft terwijl het andere deel degradeert.

Deze bevindingen suggeren dat het vermogen om nitraat te eten een oeroude eigenschap is die de gist van haar voorouders heeft geërfd. In de loop van de tijd hebben verschillende lineages deze vaardigheid behouden of weggegooid op basis van hun specifieke behoeften en de stabiliteit van hun genomen. De studie laat zien dat in complexe, hybride organismen de twee sets genetisch materiaal niet altijd op dezelfde manier evolueren. Eén set kan stabiel en functioneel blijven, terwijl de andere snelle verandering en verlies ondergaat. Dit onderzoek biedt een duidelijk beeld van hoe genoomarchitectuur en het mengen van verschillende genetische lineages de overlevingsstrategieën van een industrieel belangrijke gist kunnen vormen, waarbij het onthult dat het behoud van een nuttige eigenschap afhangt van een delicate balans tussen genkopieën en de specifieke geschiedenis van het genoom.