Sous la direction de Chris Todd Hittinger, professeur de génétique à l'UW-Madison, et d'Antonis Rokas, professeur de biologie à Vanderbilt, les chercheurs ont cartographié les schémas génétiques, les appétits et les environnements de plus de 1 000 espèces de levures, construisant ainsi un arbre généalogique qui éclaire comment ces levures. les champignons unicellulaires ont évolué au cours des 400 derniers millions d'années.

Les résultats, publiés dans la revue Science , suggèrent que des facteurs internes, et non externes, sont les principaux facteurs de variation des types de carbone que les levures peuvent manger, et les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve que la polyvalence métabolique, ou la capacité de manger différents aliments, entraîne des compromis. Autrement dit, certaines levures sont touche-à-tout et maîtrisent chaque métier.

"Cela nous a vraiment, vraiment surpris", déclare Hittinger. "Les spécialistes devraient être meilleurs dans les sources de carbone pour lesquelles ils sont spécialisés. Et les généralistes, s'ils mangent de tout, ils ne devraient pas être aussi bons. Et au lieu de cela, ce n'est pas ça. nous voyons."

L'article est le produit d'un projet en cours d'une décennie visant à créer une base de données complète cartographiant la relation entre les génomes et les caractéristiques des levures, un groupe d'espèces aussi génétiquement diverses que tous les animaux. L'ensemble de données génomiques est le plus complet jamais compilé pour un groupe aussi ancien et diversifié.

Hittinger, chercheur au Centre de recherche sur la bioénergie des Grands Lacs qui étudie le métabolisme des levures, affirme qu'en plus d'approfondir notre compréhension de la biodiversité, la base de données peut aider les chercheurs à identifier ou à créer des levures plus efficaces pour convertir les sucres végétaux en biocarburants et autres alternatives aux combustibles fossiles. .

De nombreuses filières, des appétits variés

À partir de 2015, l'équipe de Hittinger a séquencé les génomes et étudié les métabolismes de presque toutes les espèces connues d'un groupe de levures lointainement apparentées à Saccharomyces cerevisiae, mieux connue sous le nom de levure de boulanger.

Ils ont choisi ce groupe en raison du large éventail d'espèces identifiées et de leurs régimes alimentaires en carbone très variables.

"Nous avons de nombreuses succursales, certaines proches les unes des autres, d'autres plus éloignées", explique Hittinger. "Vous avez tout simplement de nombreuses opportunités d'explorer des trajectoires évolutives identiques ou similaires. Nous pouvons voir des traits qui ont été gagnés ou perdus une douzaine de fois."

Ce qu'ils ne savaient pas, c'est comment les espèces étaient liées.

Après avoir rassemblé les données, les chercheurs ont utilisé des outils d'apprentissage automatique pour déterminer quels gènes sont associés à quelles caractéristiques, y compris la gamme de ressources qu'un organisme peut utiliser ou les conditions qu'il peut tolérer – un concept connu sous le nom de « étendue de niche ».

Comme d'autres organismes, certaines levures ont évolué pour devenir des spécialistes (pensez aux koalas, qui ne mangent que des feuilles d'eucalyptus), tandis que d'autres sont généralistes, comme les ratons laveurs, qui mangent à peu près n'importe quoi.

Les scientifiques tentent d'expliquer pourquoi les généralistes et les spécialistes existent presque depuis que Charles Darwin a proposé sa théorie de l'évolution en 1859.

"Ces idées se sont propagées à l'époque de Darwin, et peu de temps après, alors que les gens commençaient à se concentrer sur l'écologie comme base du fonctionnement de la sélection naturelle", explique Hittinger.

Les scientifiques ont proposé deux grands modèles pour expliquer le phénomène.

L'un d'eux suggère que les généralistes sont touche-à-tout mais ne maîtrisent aucun métier, ce qui signifie qu'ils peuvent tolérer un plus large éventail de conditions ou de sources de nourriture, mais ne sont pas aussi dominants qu'un spécialiste dans un créneau spécifique.

L'autre théorie est qu'une combinaison de facteurs internes et externes entraîne une variation de niche.

Par exemple, les organismes peuvent acquérir des gènes qui leur permettent de fabriquer des enzymes capables de décomposer plus d’une substance, élargissant ainsi la gamme d’aliments qu’ils peuvent manger. À l'inverse, la perte aléatoire de gènes au fil du temps peut entraîner un palais plus étroit.

De même, les environnements peuvent exercer une pression sélective sur les traits. Ainsi, un habitat avec seulement une ou deux sources de nourriture ou des températures constantes favoriserait les spécialistes, tandis que les généralistes pourraient mieux réussir dans un environnement offrant un plus large éventail de nourriture ou de conditions.

En ce qui concerne le métabolisme des levures, l'équipe de Hittinger n'a trouvé aucune preuve de compromis.

"Les généralistes sont meilleurs dans toutes les sources de carbone qu'ils peuvent utiliser", déclare Hittinger. "Les généralistes sont également capables d'utiliser plus de sources d'azote que les spécialistes du carbone. Je n'aurais pas du tout prédit cette relation."

Les données ont également montré que les facteurs environnementaux ne jouent qu'un rôle limité.

Cela aussi était surprenant, déclare la co-auteure Dana Opulente, qui a commencé le projet en tant que chercheuse postdoctorale à l'UW-Madison et qui est maintenant professeur adjoint de biologie à l'Université Villanova.

"On pourrait s'attendre à trouver des spécialistes principalement dans les variétés domestiquées, mais ce n'est pas le cas", explique Opulente. "On peut trouver des généralistes et des spécialistes du sol et des fleurs. On les retrouve partout aux mêmes endroits."

Hittinger prévient qu'il existe des limites à ce qui peut être déduit des données. Il est possible que des compromis soient présents chez des espèces qui n'ont pas été étudiées. Et les expériences en laboratoire utilisées pour mesurer la croissance métabolique ne peuvent pas reproduire les conditions des sols, de l'écorce des arbres ou des intestins des insectes où les levures vivent dans la nature.

Opulente s'efforce actuellement de recueillir davantage de données sur ces environnements naturels, ce qui pourrait révéler une influence écologique plus forte sur l'étendue de la niche.

"Si nous disposons de plus de données, de nombreuses autres questions pourraient être posées", déclare Opulente.

L'étude n'explique pas non plus pourquoi, s'il n'y a pas de compromis, toutes les levures ne sont pas généralistes.

Une explication possible est que les gènes disparaissent souvent au cours de l'évolution et que, tant qu'ils ne sont pas essentiels à la survie, la mutation peut se transmettre et prendre le contrôle d'une population. Les spécialistes peuvent continuellement évoluer du statut de généraliste à travers ce processus.

"Je ne suis pas sûr que nous ayons encore répondu à cette question", déclare Hittinger.