En un estudio histórico basado en uno de los conjuntos de datos genómicos más completos jamás reunidos, un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de Vanderbilt ofrece una posible respuesta a una de las preguntas más antiguas sobre la evolución:por qué algunas especies son generalistas y otros especialistas.
Bajo la dirección del profesor de genética de la UW-Madison, Chris Todd Hittinger, y Antonis Rokas, profesor de biología en Vanderbilt, los investigadores mapearon los patrones genéticos, los apetitos y los entornos de más de 1.000 especies de levaduras, construyendo un árbol genealógico que ilumina cómo estas Los hongos unicelulares evolucionaron durante los últimos 400 millones de años.
Los resultados, publicados en la revista Science , sugieren que los factores internos, no externos, son los principales impulsores de la variación en los tipos de levaduras de carbono que pueden consumir, y los investigadores no encontraron evidencia de que la versatilidad metabólica, o la capacidad de comer diferentes alimentos, venga acompañada de compensaciones. En otras palabras, algunas levaduras son expertas en todo y maestras en cada uno de ellos.
"Eso realmente nos sorprendió", dice Hittinger, "los especialistas deberían ser mejores en las fuentes de carbono para las que están especializados. Y los generalistas, si comen de todo, no deberían ser tan buenos. Y en cambio, eso no es lo que ya vemos."
El artículo es producto de un proyecto en curso de una década de duración para construir una base de datos integral que mapee la relación entre los genomas y los rasgos de las levaduras, un grupo de especies tan genéticamente diversas como todos los animales. El conjunto de datos genómicos es el más completo jamás compilado para un grupo tan antiguo y diverso.
Hittinger, un investigador del Centro de Investigación de Bioenergía de los Grandes Lagos que estudia el metabolismo de la levadura, dice que además de mejorar nuestra comprensión de la biodiversidad, la base de datos puede ayudar a los investigadores a identificar o crear levaduras que sean mejores para convertir los azúcares vegetales en biocombustibles y otras alternativas a los combustibles fósiles. .
A partir de 2015, el equipo de Hittinger secuenció los genomas y estudió el metabolismo de casi todas las especies conocidas de un grupo de levaduras lejanamente relacionadas con Saccharomyces cerevisiae, más conocida como levadura de panadería.
Eligieron este grupo debido a la amplia gama de especies que se habían identificado y sus dietas de carbono altamente variables.
"Tenemos muchas sucursales, algunas muy juntas y otras más alejadas", afirma Hittinger. "Simplemente tienes toneladas de oportunidades para explorar trayectorias evolutivas iguales o similares. Podemos ver rasgos que se han ganado o perdido una docena de veces".
Lo que no sabían es cómo se relacionaban las especies.
Después de recopilar los datos, los investigadores utilizaron herramientas de aprendizaje automático para determinar qué genes están asociados con qué rasgos, incluida la variedad de recursos que un organismo puede utilizar o las condiciones que puede tolerar, un concepto conocido como "amplitud de nicho".
Al igual que otros organismos, algunas levaduras han evolucionado hasta convertirse en especialistas (pensemos en los koalas, que no comen más que hojas de eucalipto), mientras que otras son generalistas, como los mapaches, que comen prácticamente cualquier cosa.
Los científicos han estado tratando de explicar por qué existen tanto generalistas como especialistas casi desde que Charles Darwin propuso su teoría de la evolución en 1859.
"Esas ideas se estaban filtrando en la época de Darwin, y poco después, cuando la gente empezó a... centrarse en la ecología como la base de cómo funciona la selección natural", dice Hittinger.
Los científicos han ofrecido dos modelos generales para explicar el fenómeno.
Una sugiere que los generalistas saben todo, pero no son maestros en ninguno, lo que significa que pueden tolerar una gama más amplia de condiciones o fuentes de alimentos, pero no son tan dominantes como un especialista en ningún nicho específico.
La otra teoría es que una combinación de factores internos y externos impulsa la variación del nicho.
Por ejemplo, los organismos pueden adquirir genes que les permitan producir enzimas capaces de descomponer más de una sustancia, ampliando la variedad de alimentos que pueden comer. Por el contrario, la pérdida aleatoria de genes con el tiempo puede provocar un paladar más estrecho.
Asimismo, los entornos pueden ejercer una presión selectiva sobre los rasgos. Por lo tanto, un hábitat con sólo una o dos fuentes de alimentos o temperaturas constantes favorecería a los especialistas, mientras que a los generalistas les podría ir mejor en un entorno con una gama más amplia de alimentos o condiciones.
En lo que respecta al metabolismo de la levadura, el equipo de Hittinger no encontró evidencia de compensaciones.
"Los generalistas son mejores en todas las fuentes de carbono que pueden utilizar", dice Hittinger. "Los generalistas también pueden utilizar más fuentes de nitrógeno que los especialistas en carbono. Yo no habría predicho esa relación en absoluto".
Los datos también mostraron que los factores ambientales desempeñan sólo un papel limitado.
Eso también fue sorprendente, dice la coautora Dana Opulente, quien comenzó el proyecto como investigadora postdoctoral en UW-Madison y ahora es profesora asistente de biología en la Universidad de Villanova.
"Podríamos esperar encontrar especialistas principalmente en cepas domesticadas, pero ese no es el caso", afirma Opulente. "Podemos encontrar generalistas y especialistas en suelos y flores. Los encontramos en todos los mismos lugares."
Hittinger advierte que existen limitaciones en lo que se puede inferir de los datos. Es posible que existan compensaciones en especies que no fueron estudiadas. Y los experimentos de laboratorio utilizados para medir el crecimiento metabólico no pueden replicar las condiciones del suelo, la corteza de los árboles o las tripas de los insectos donde viven las levaduras en la naturaleza.
Opulente ahora está trabajando para recopilar más datos sobre esos entornos naturales, lo que podría revelar una influencia ecológica más fuerte en la amplitud del nicho.
"Si tenemos más datos, podrían plantearse muchas otras preguntas", afirma Opulente.
El estudio tampoco explica por qué, si no hay compensaciones, no todas las levaduras son generalistas.
Una posible explicación es que los genes a menudo desaparecen durante la evolución, y mientras no sea esencial para la supervivencia, la mutación puede transmitirse y apoderarse de una población. Los especialistas pueden evolucionar continuamente a partir de los generalistas a través de este proceso.
"No estoy seguro de haber respondido esa pregunta todavía", dice Hittinger.
Más información: Dana A. Opulente et al, Los factores genómicos dan forma a la amplitud del nicho metabólico del carbono y el nitrógeno en las levaduras Saccharomycotina, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adj4503. www.science.org/doi/10.1126/science.adj4503
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad de Wisconsin-Madison
