啤酒发酵酵母的研究揭示了意想不到的进化过程

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在研究一种与啤酒发酵密切相关的酵母菌株时有了意外的发现——他们观察到这种酵母在进化过程中留下了一半的遗传物质。

他们的研究本周发表在《PLoS Biology》杂志上，其直接目标是研究野生酵母Saccharomyces eubayanus的菌株，它是用于啤酒发酵的混合酵母菌株的野生亲本。

啤酒生产中使用的酵母的一个关键特性是能够分解麦芽糖，麦芽糖是酿造啤酒的材料中最丰富的糖。研究小组选择了一种酵母菌株，尽管它拥有麦芽糖代谢所需的许多基因，但它在进化上已经丧失了这种能力。在进行了在麦芽糖上培养酵母并选择茁壮成长的后代的进化实验后，实验室的S. eubayanus酵母重新获得了吃麦芽糖的能力。

然而，目前还不清楚酵母是如何发生变化的。

该论文的第一作者、博士生约翰·克兰德尔 (John Crandall) 表示：“我们有点碰壁，因为我们无法真正理解这些适应性进化的分离株的潜在遗传变化，这些变化改善了麦芽糖代谢。”威斯康星大学麦迪逊分校遗传学教授 Chris Todd Hittinger 实验室的学生。

任何特定基因不仅仅是一个简单的突变——这种变化更为戏剧性：酵母在实验过程中失去了一半的遗传物质。更具体地说，所有染色体都失去了配对，从二倍体（每条染色体都有两个副本，就像人类一样）转变为单倍体（每条染色体只有一个副本，就像我们的配子、或卵子和精子）。

生物体中染色体组的数量，称为倍性，是生物体生物学最基本的定义方面之一。

“它定义了基因组的结构和内容，从而对生命周期和进化轨迹产生各种影响，”克兰德尔说。

酵母的倍性变化以前已有记录，但通常单倍体会变成二倍体，而不是相反。酵母的倍性变化也经常引起细胞类型的变化，这直接影响有性生殖。但在这里，它影响了糖代谢。

“因此，有很多不同的因素可以解决绝对倍性、细胞类型以及这些不同的因素如何促进健康[生长和繁殖]之间的关系。这让我们很感兴趣，因为关于为什么绝对倍性本身可能会影响健康，有一些不同的理论框架，”克兰德尔解释道。“但是没有一个好的模型来解释为什么细胞类型会影响这种情况下的健康，这也是为什么它确实会影响健康的原因。”

这项新研究也许是对直接影响生长和新陈代谢的倍性变化最清晰的机制洞察。这种见解可以在不同领域实现多种应用，例如医学、生物燃料生产以及涉及真菌的许多产品和行业。

“在人们感兴趣的许多致病性和临床或工业相关物种中，细胞类型或倍性可能代表了性状变异的一个尚未充分探索的维度，”克兰德尔说。