Evolution of flocculation in yeast in response to mechanical stress

Saccharomyces cerevisiae to jednokomórkowy organizm modelowy, znany ze środowisk dzikich jak i tych stworzonych przez człowieka, łatwy w hodowli i mający mały a przy tym dobrze poznanym genom. Ze względu na te cechy jest on użyteczny przy badaniach genetycznych, także tych z zakresu ewolucji. Do obszaru zainteresowania zarówno badaczy jak i technologów na pewno można zaliczyć potencjał drożdży do skupiania się w większe agregaty – flokulacji. Z jednej strony jest to zjawisko pożądane w konkretnych gałęziach przemysłu, podczas gdy w innych nie. Drożdże piekarnicze są gatunkiem o dużych różnicach fenotypowych i genetycznych. Dlatego w tych badaniach skupiono się na hybrydzie dwóch szczepów o odmiennych tendencjach agregacyjnych, chcąc sprawdzić jej adaptacyjny potencjał w warunkach dotąd nie badanych – silnym stresie mechanicznym. Rezultaty eksperymentów okazały się jednoznaczne na poziomie fenotypu, ale niejednoznaczne i trudne w interpretacji na podstawie genotypu, którego zmiany zbadano poprzez sekwencjonowanie całego genomu. W czterech niezależnych liniach ewolucyjnych doszło do powstania i utrzymywania się spektrum fenotypów, od komórek słabiej flokulujących niż komórki inicjalne, aż po komórki skupiające się w duże agregaty – przy czym nie była to norma reakcji jednego genotypu, ale zmiany fenotypowe odziedziczalne w ramach jednego klonu. Nie udało się jednak zidentyfikować zmian genetycznych, które mogłyby być za to odpowiedzialne. Może to wskazywać na złożony charakter zmian, które wystąpiły w komórkach hybrydy. Jest to zgodne z danymi genetycznymi wskazującymi, że flokulacja jest kodowana przez wiele genów o wysokiej zmienności allelicznej dzięki zawartych tam elementom powtarzalnym, których występowanie utrudnia analizę zmian sekwencji DNA.

Saccharomyces cerevisiae is a single-celled model organism, known both from wild and man-made environments. It is easy to culture and has a small yet well-studied genome. Because of these characteristics it is useful for genetic studies, including those in the field of evolution. The area of interest for both researchers and industry professionals includes the potential ability of yeast to form larger aggregates – to flocculate. This phenomenon is desirable in specific branches of some industries, while not in the others. Budding yeast is a species with large phenotypic and genetic differences between strains. Therefore, this research focused on a hybrid of two strains with different aggregation tendencies, in order to test its adaptive potential under conditions not previously studied – under severe mechanical stress. The results of the experiments proved clear at the phenotypic level but ambiguous and difficult to interpret based on the genotype, whose changes were investigated by whole-genome sequencing. A spectrum of phenotypes emerged and persisted in four independent evolutionary lines, ranging from cells flocculating less than the initial cells to cells clustering into large aggregates. It is worth noting that it was not the norm of a single genotype response but phenotypic changes heritable within a single clone. However, the exact genetic changes could not be identified. This may indicate the complex nature of the changes that occurred in the cells of the hybrid. This is consistent with genetic data indicating that flocculation is encoded by many genes with high allelic variability due to the repetitive elements contained therein, the occurrence of which makes analysis of DNA sequence changes difficult.