新研究所发现的模式推翻了酵母菌进化的传统观点

一项研究通过对 1000 多个菌株进行人工智能分析，揭示了酵母进化的新见解，挑战了旧范式，并为推进多个科学领域的研究提供了一个全面的数据集。酵母菌群（人工着色）。资料来源：夏洛特联合国大学

拉贝拉于2022年以助理教授和研究员的身份加入夏洛特联合国大学计算机与信息学院的生物信息学系，在北卡罗来纳研究园区与共同第一作者、维拉诺瓦大学的Dana A. Opulente一起进行了这项研究。他们与来自范德比尔特大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员以及来自全球各地研究机构的同事进行了合作。

这是 Y1000+项目拉贝拉在范德堡大学担任博士后研究员时加入了该项目，这是一项大规模的机构间酵母基因组测序和表型工作。

"酵母是单细胞真菌，在我们的日常生活中发挥着至关重要的作用。它们被用来制造面包和啤酒，也用于医药生产，也会引起感染，作为动物的近亲，它们还可以帮助我们了解癌症是如何发生的，"拉贝拉说。"我们想知道这些小型真菌是如何进化到拥有如此多的功能和特征的。通过对一千多种酵母菌的特征描述，我们发现酵母菌并不符合'无所不能'的谚语。"

这项研究有助于人们基本了解微生物如何随时间发生变化，同时产生了 900 多个新的酵母菌基因组序列，其中许多序列可用于生物真菌领域，如农业害虫控制、药物开发和生物燃料生产。

拉贝拉和她的合著者通过对 Y1000+ 项目数据集（包括 1154 株古老的单细胞酵母 Saccaromycotina）进行人工智能辅助机器学习分析，试图回答一个重要问题。那就是为什么有些酵母菌只吃（或代谢）几种碳作为能量，而有些酵母菌却能吃十几种碳？

阿比盖尔-莱维特-拉贝拉。资料来源：夏洛特联合国大学

一种酵母用于获取能量的碳源总数在生态学上被称为其碳生态位广度（carbon niche-breadth）。人类的碳生态位广度也各不相同，例如，有些人可以代谢乳糖，而有些人则不能。

进化生物学研究支持关于生态位广度的两个关键的总体范式，即解释为什么一些酵母生物（"专科生物"）在进化过程中只能代谢少量的碳作为燃料，而另一些酵母生物（"通性酵母"）在进化过程中能够消耗和生长多种碳形式的现象。值得注意的是，在后一种情况下，处理多种碳形式的能力是以牺牲酵母有效处理和生长每种碳形式的能力为代价的。第二种情况是，这些酵母专精和专精酵母在进化过程中，由于各自基因组的不同内在特征和酵母生物所处的不同环境的不同外在影响的共同作用，使得它们出现了各自的特征。

拉贝拉和她的同事发现了大量证据，支持酵母专家与普通专家之间存在着可识别的内在基因差异，特别是普通专家往往比专家拥有更多的基因。例如，他们发现通性酵母菌更有可能合成肉碱，肉碱是一种参与能量生产的分子，经常作为运动补充剂出售。

但出乎意料的是，他们的研究发现，在进化过程中，酵母处理多种形式碳的能力是以牺牲其高效处理碳和相应生长的能力为代"价的，反之亦然。

拉贝拉说："我们发现，能在大量碳基质上生长的酵母菌实际上生长得非常好。这是一个让我们非常惊讶的发现。

这项具体实验的发现以及在分析中使用的创新机器学习机制可能会对生物信息学、生态学、代谢学和进化生物学产生重大影响，而这项研究的发表则意味着 Y1000+ 项目的大量酵母数据汇编现在可供全世界的学者用作起点，以扩展他们自己的酵母研究。

编译来源：ScitechDaily