Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

酵母是一种单细胞真菌，它们塑造了人类历史，将葡萄汁变为葡萄酒，将面团变为面包。虽然许多人因其在发酵中的作用而了解它们，但这些微小的生物还拥有一种复杂的内部机制，使它们能够在截然不同的环境中生存。它们生存的一个关键在于如何进食。大多数酵母偏好消耗简单的糖类，但有些酵母已经进化出了分解硝酸盐（一种存在于土壤和水中的化合物）以构建生长所需蛋白质的能力。这种能力在酵母中并不常见，这使得拥有该能力的酵母让科学家们特别感兴趣。当一种酵母能够在这几种不同的食物来源之间切换时，它就能在其他酵母无法生存的地方茁壮成长，例如酿酒中使用的多样化发酵罐或它们的自然栖息地。了解这些微小生物如何获得或失去利用特定营养物质的能力，有助于研究人员观察生命如何随时间适应变化，尤其是当它们的遗传组成因拥有多套染色体而变得复杂时。

最近，一个研究小组将注意力转向了布鲁塞尔酒香酵母（Brettanomyces bruxellensis），这是一种以具有广泛遗传多样性和存在于许多发酵环境中的特性而闻名的酵母物种。该物种的独特之处在于，它包括二倍体谱系（即拥有两套染色体）以及三倍体谱系（携带三套染色体）。其中一些三倍体谱系是杂交的结果，即两种不同类型的酵母合并创造出了一种新的、更复杂的基因组。科学家们想要了解利用硝酸盐的能力是如何分布在这些不同的遗传群体中的，以及当酵母的遗传结构变得如此复杂时，负责这一性状的基因会发生什么变化。为此，他们收集了大量数据，在实验室中测试了151种不同菌株的生长习性，并检查了946种菌株的完整遗传蓝图。

研究人员发现，同化硝酸盐的能力在这些酵母中广泛存在，但并非平等分布。一些酵母群体保留了这种能力，而另一些则完全失去了它。当团队观察负责摄取硝酸盐的基因时，他们发现这一性状在很大程度上取决于一个菌株拥有多少个这些基因的拷贝，以及这些拷贝是否仍在正常工作。能够摄取硝酸盐的菌株通常比不能摄取的菌株携带更多功能性的基因簇拷贝。这种基因数量和质量的变化，在酵母的遗传组成与其利用硝酸盐的能力之间建立了清晰的联系。

这项研究最具有启发性的部分来自于对包含一个原生基因组和一个获得性基因组的三倍体谱系的分析。通过分别观察这两部分，科学家们揭示了它们在进化上的显著差异。用于硝酸盐同化的基因通常在原生基因组中保持完整，这表明细胞的这一部分非常谨慎地保留了这一性状。相比之下，获得性基因组显示出更高的基因丢失和损伤率。这意味着在两种酵母合并后，新的遗传物质往往会失去摄取硝酸盐的能力，而原始的遗传物质则保留了这一能力。这创造了一种不平衡的动态，即细胞遗传库的一部分保持有用，而另一部分则发生退化。

这些发现表明，利用硝酸盐的能力是酵母从其祖先那里继承的一种古老性状。随着时间的推移，不同的谱系根据其特定需求和基因组的稳定性，保留或丢弃了这种能力。研究表明，在复杂的杂合生物体中，两套遗传物质并不总是以相同的方式进化。一套可能保持稳定和功能，而另一套则经历快速的变化和丢失。这项研究为基因组架构和不同遗传谱系的混合如何塑造一种具有工业重要性的酵母的生存策略提供了清晰的图景，揭示了维持一种有用性状取决于基因拷贝数量与特定基因组历史之间的微妙平衡。