Estudo sobre leveduras oferece uma possível resposta sobre por que algumas espécies são generalistas e outras especialistas
Fotos de colônias de levedura ampliadas, no sentido horário a partir do canto superior esquerdo:Alloascoidea africana, Saccharomyces cerevisiae, Peterozyma xylosa, Blastobotrys adeninivorans, Blastobotrys buckinghamii, Lipomyces sp., Sporopachydermia lactativora, Candida boleiticola, Hanseniaspora guilliermondii, Ascoidea asiatica, Ambrosiozyma cicatricosa, Candida be Rthetii . Crédito:Fotos de Amanda Hulfachor Num estudo marcante baseado num dos conjuntos de dados genómicos mais abrangentes alguma vez reunidos, uma equipa liderada por cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison e da Universidade Vanderbilt oferece uma possível resposta a uma das questões mais antigas sobre a evolução:porque é que algumas espécies são generalistas e outros especialistas.
Sob a orientação do professor de genética da UW-Madison, Chris Todd Hittinger, e de Antonis Rokas, professor de biologia na Vanderbilt, os pesquisadores mapearam os padrões genéticos, apetites e ambientes de mais de 1.000 espécies de leveduras, construindo uma árvore genealógica que ilumina como essas fungos unicelulares evoluíram nos últimos 400 milhões de anos.
Os resultados, publicados na revista Science , sugerem que fatores internos – e não externos – são os principais impulsionadores da variação nos tipos de carbono que as leveduras podem comer, e os pesquisadores não encontraram nenhuma evidência de que a versatilidade metabólica, ou a capacidade de comer alimentos diferentes, tenha quaisquer compensações. Em outras palavras, algumas leveduras são pau para toda obra e mestres em cada uma delas.
"Isso realmente nos surpreendeu", diz Hittinger, "Os especialistas deveriam ser melhores nas fontes de carbono nas quais são especializados. E os generalistas, se estão comendo de tudo, não deveriam ser tão bons. E, em vez disso, não é isso que Nós vemos."
O artigo é produto de um projeto em andamento de uma década para construir um banco de dados abrangente que mapeie a relação entre genomas e características de leveduras, um grupo de espécies tão geneticamente diversas quanto todos os animais. O conjunto de dados genômicos é o mais abrangente já compilado para um grupo tão antigo e diversificado.
Hittinger, pesquisador do Centro de Pesquisa em Bioenergia dos Grandes Lagos que estuda o metabolismo das leveduras, diz que além de aprofundar nossa compreensão da biodiversidade, o banco de dados pode ajudar os pesquisadores a identificar ou criar leveduras que são melhores na conversão de açúcares vegetais em biocombustíveis e outras alternativas aos combustíveis fósseis. .
Muitas filiais, apetites variados
A partir de 2015, a equipe de Hittinger sequenciou os genomas e estudou o metabolismo de quase todas as espécies conhecidas de um grupo de leveduras remotamente relacionadas com Saccharomyces cerevisiae, mais conhecida como levedura de padeiro.
Eles escolheram este grupo devido à grande variedade de espécies que foram identificadas e às suas dietas de carbono altamente variáveis.
“Temos muitas filiais, algumas próximas umas das outras, outras mais distantes”, diz Hittinger. "Você simplesmente tem toneladas de oportunidades para explorar trajetórias evolutivas iguais ou semelhantes. Podemos ver características que foram ganhas ou perdidas uma dúzia de vezes."
O que eles não sabiam é como as espécies estavam relacionadas.
Depois de reunir os dados, os pesquisadores usaram ferramentas de aprendizado de máquina para descobrir quais genes estão associados a quais características, incluindo a gama de recursos que um organismo pode usar ou as condições que pode tolerar – um conceito conhecido como “amplitude de nicho”.
Tal como outros organismos, algumas leveduras evoluíram para se tornarem especialistas – como os coalas, que só comem folhas de eucalipto – enquanto outras são generalistas, como os guaxinins, que comem praticamente tudo.
Os cientistas têm tentado explicar por que existem tanto generalistas como especialistas quase desde que Charles Darwin propôs a sua teoria da evolução em 1859.
“Essas ideias foram difundidas na época de Darwin e, pouco depois, à medida que as pessoas começaram a… aperfeiçoar a ecologia como base do funcionamento da seleção natural”, diz Hittinger.
A filogenia de 1.154 grupos externos de leveduras e fungos construídos a partir de 2.408 grupos ortólogos de genes. Os ramos são coloridos de acordo com sua atribuição taxonômica a uma ordem de Saccharomycotina (46). Os anéis mais internos são coloridos pelo tipo de ambiente de isolamento de nível superior em que cada cepa específica foi isolada. O anel roxo, amarelo e azul identifica a classificação de crescimento de carbono para cada cepa. Esta classificação é baseada na faixa de carbono, que, juntamente com a faixa de nitrogênio, é representada pelo gráfico de barras na parte externa da árvore. Todas as características ilustradas (ambiente de isolamento, classe de crescimento de carbono, amplitude de nitrogênio e amplitude de carbono) estão amplamente distribuídas pela árvore; nenhuma ordem tem uma característica exclusivamente. Crédito:Universidade de Wisconsin – Madison
Os cientistas ofereceram dois modelos amplos para explicar o fenômeno.
Um sugere que os generalistas são pau para toda obra, mas não dominam nada, o que significa que podem tolerar uma gama mais ampla de condições ou fontes de alimento, mas não são tão dominantes quanto um especialista em qualquer nicho específico.
A outra teoria é que uma combinação de fatores internos e externos impulsiona a variação de nicho.
Por exemplo, os organismos podem adquirir genes que lhes permitem produzir enzimas capazes de decompor mais de uma substância, ampliando a gama de alimentos que podem consumir. Por outro lado, a perda aleatória de genes ao longo do tempo pode resultar num palato mais estreito.
Da mesma forma, os ambientes podem exercer pressão seletiva sobre as características. Assim, um habitat com apenas uma ou duas fontes de alimento ou temperaturas constantes favoreceria os especialistas, enquanto os generalistas poderiam sair-se melhor num ambiente com uma gama mais ampla de alimentos ou condições.
Quando se trata do metabolismo das leveduras, a equipe de Hittinger não encontrou evidências de compensações.
“Os generalistas são melhores em todas as fontes de carbono que podem utilizar”, diz Hittinger. "Os generalistas também são capazes de usar mais fontes de nitrogênio do que os especialistas em carbono. Eu não teria previsto essa relação."
Os dados também mostraram que os factores ambientais desempenham apenas um papel limitado.
Isso também foi surpreendente, diz a coautora Dana Opulente, que iniciou o projeto como pesquisadora de pós-doutorado na UW – Madison e agora é professora assistente de biologia na Universidade Villanova.
“Poderíamos esperar encontrar especialistas sobretudo em estirpes domesticadas, mas não é o caso”, diz Opulente. “Podemos encontrar generalistas e especialistas em solo e flores. Estamos encontrando-os nos mesmos lugares.”
Hittinger adverte que há limitações ao que pode ser inferido a partir dos dados. É possível que compensações estejam presentes em espécies que não foram estudadas. E os experimentos de laboratório usados para medir o crescimento metabólico não conseguem replicar as condições dos solos, cascas de árvores ou vísceras de insetos onde as leveduras vivem na natureza.
A Opulente está agora a trabalhar para recolher mais dados sobre esses ambientes naturais, o que poderá revelar uma influência ecológica mais forte na amplitude dos nichos.
“Se tivermos mais dados, há muitas outras perguntas que poderiam ser feitas”, diz Opulente.
O estudo também não explica por que, se não houver compensações, nem todas as leveduras são generalistas.
Uma explicação possível é que os genes muitas vezes desaparecem durante a evolução e, desde que não seja essencial para a sobrevivência, essa mutação pode ser transmitida e dominar uma população. Os especialistas podem evoluir continuamente de generalistas através deste processo.
“Ainda não tenho certeza se respondemos a essa pergunta”, diz Hittinger.
