PLoS Genetics, 2005; 1(1): (más artículos en esta revista)

Prueba de Domesticado y poblaciones silvestres de Saccharomyces cerevisiae

Biblioteca Pública de la Ciencia
Justin C Fay [*], Joseph A Benavides
Resumen

Saccharomyces cerevisiae es predominantemente encuentran en asociación con las actividades humanas, particularmente la producción de bebidas alcohólicas. S. Paradoxus, el pariente más cercano conocido de S. Cerevisiae, que comúnmente se encuentran en exudados y corteza de árboles de hoja caduca y de los suelos asociados. Esto ha llevado a la idea de que S. Cerevisiae es una especie domesticada, especializados para la fermentación de bebidas alcohólicas, y los aislados de S. Cerevisiae de otras fuentes simplemente representan los migrantes de estas fermentaciones. Tenemos diversidad de secuencias de ADN estudiadas en cinco loci en 81 cepas de S. Cerevisiae, que fueron aisladas de una variedad de fermentaciones humanos y naturales, así como de fuentes no relacionadas con la producción de bebidas alcohólicas, como el árbol de exudados y pacientes inmunocomprometidos. La diversidad dentro de las cepas de viñedos y dentro de las cepas sake es baja, en consonancia con su condición de las poblaciones domesticadas. Los linajes más antiguos y la mayoría de las variaciones se encuentran en cepas de fuentes no relacionadas con la producción de vino. Proponemos un modelo de los que dos razas especializadas de S. Cerevisiae se han creado, uno para la producción de vino de uva y una para la producción de vino de sake. Estimamos que estas dos razas se han mantenido aislados unos de otros durante miles de años, en consonancia con la primera evidencia arqueológica para la vinificación. Llegamos a la conclusión de que si bien existen claramente las cepas de S. Cerevisiae especializados para la producción de bebidas alcohólicas, estos se han derivado de las poblaciones naturales unassociated con la producción de bebidas alcohólicas, en lugar de lo contrario.

Introducción

En sentido estricto especies del género Saccharomyces, como implica su nombre científico, son especializados para el crecimiento de levadura en el azúcar. En comparación con otras levaduras, la fermentación aeróbica Saccharomyces favor más de la respiración en presencia de altas concentraciones de azúcar [1]. Fermentación resultados en la producción de etanol y una ventaja competitiva, ya que estas levaduras son tolerantes a las altas concentraciones de etanol [2]. Una de estas especies, S. Cerevisiae, se ha desempeñado como uno de los mejores sistemas modelo para comprender la célula eucariótica y ha servido como la especie dominante para la producción de cerveza, pan, vino y [3]. Sin embargo, cabe señalar que las cepas de S. Bayanus a veces son utilizados para la producción de vino y de las cepas de S. Pastorianus, híbridos entre S. Y S. cerevisiae Bayanus, se utilizan para cerveza cervezas lager [4].

Desde el descubrimiento de la levadura como la causa de la fermentación [5], numerosas cepas de S. Cerevisiae han sido aislados, la mayoría de los cuales han sido encontrados asociados a la producción de bebidas alcohólicas [6 - 9]. En muchos casos, las cepas están claramente especializados para su uso en el laboratorio [10] y la producción de vino [11], [12] de cerveza, y pan [13]. Esto ha llevado a la opinión común de que S. Cerevisiae es una especie domesticada que ha evolucionado en asociación con la producción de bebidas alcohólicas [3, 6, 14]. En virtud de este modelo, el ocasional cepas de S. Cerevisiae encuentra en la naturaleza se consideran migrantes de humanos y asociados fermentaciones.

El primer uso de S. Cerevisiae es probable que hayan sido para la producción de vino, en vez de pan o cerveza [3, 15]. S. Cerevisiae se ha asociado con la elaboración de los vinos desde el 3150 aC, en base a la extracción de ADN de antiguos contenedores de vino [16], y las primeras pruebas para la elaboración de los vinos es a partir de 7000 aC el análisis molecular de tarros de cerámica encontrado en China [17]. La idea de que S. Cerevisiae se utilizó por primera vez para producir vino en lugar de cerveza o el pan es apoyada asimismo por el hecho de que la producción de vino no requiere inóculo de la levadura [7]. Además, las cepas asociadas con el whisky, cerveza, y panaderías muestran polimorfismo de longitud de fragmentos amplificados (AFLP) similares a los perfiles de diversas cepas de vino [18].

Para examinar la relación entre viña y no viña cepas de S. Cerevisiae y para comprender su origen evolutivo, hemos encuestadas secuencia de ADN variación en 81 cepas aisladas de geográfica y ecológicamente diversas fuentes (Tabla 1]. Estos incluyen 60 cepas asociadas a humanos fermentaciones, predominantemente de las viñas, y el 19 de las cepas no asociados a fermentaciones humanos, predominantemente de pacientes inmunocomprometidos y exudados de árboles.

Resultados y Discusión

Variación de la secuencia del ADN se examinó en 81 cepas de levaduras en cinco loci disociados (véase Materiales y Métodos]. Un total de 184 sitios polimórficos se encontraron. La figura 1 muestra todos los sitios de la variable junto con un vecino a participar en los árboles construidos a partir de estos sitios. Hay dos características más llamativas de inmediato de los datos. En primer lugar, están los altos niveles de vinculación desequilibrio entre los sitios se encuentran en los genes disociados. Esta vinculación desequilibrio no se puede explicar por la falta de recombinación, porque los cuatro gametos de prueba [19] es una evidencia de recombinación dentro y entre loci. El alto nivel de vinculación desequilibrio probablemente en la mayoría de la población causado por la subdivisión, y sugiere que los datos de estos cinco genes que proporcionan una vista genómico de la población diferenciación entre estas cepas. En segundo lugar, existen niveles significativos de la población diferenciación basada en la fuente a partir de la cual las muestras fueron aislados (véase Materiales y Métodos]. Un número de cepas son dignas de señalar. Y9 está muy estrechamente relacionado con el sake y las cepas se obtuvo de Indonesia ragi, o pastel de levadura, que al igual que sake es hecho por la fermentación de koji, una mezcla de arroz y el moho Aspergillus oryzae [20]. Y3 e Y12 fueron aisladas de vino de palma africana, hecha de la fermentación de la savia de la palma de aceite, Elaeis guineensis. Y5 se aisló de África bili vino.

Si las cepas de S. Cerevisiae, que no están asociados a fermentaciones humanos han escapado de sus entornos artificiales, sus progenitores deben estar estrechamente relacionados con las cepas aisladas de humanos fermentaciones. Dos aspectos de los datos indican que este no es el caso. En primer lugar, los más antiguos linajes en la raíz del árbol, que son más similares a S. Paradoxus, fueron aisladas de exudados de árboles en América del Norte y África, o de los pacientes inmunocomprometidos. Aunque una de las muestras clínicas es la más estrechamente relacionada con cepas de viñedos, la mayoría de los aislados clínicos no están estrechamente relacionadas con cepas obtenidas de humanos y asociados fermentaciones. En segundo lugar, las cepas de uva de vino y de la producción de vino sake significativamente menos contenido de la variación, medida por el número promedio de las diferencias entre las cepas pairwise [21], que se encuentra en aislados clínicos y naturales, que contienen otras tantas variaciones como se encuentra en el Total de la muestra (Tabla 2]. Sin embargo, la diversidad de cepas asociadas a humanos distintos de fermentación de uva y producción de vino sake no es reducido en comparación con la clínica y aislamientos naturales. Las cuatro cepas asociadas con fermentaciones, tres de las cuales fueron aisladas de los vinos tradicionales de África, muestran la mayor diversidad y representan algunos de los más antiguos linajes. Esto plantea la posibilidad de que S. Cerevisiae fue domesticada en Africa y que la mayoría de las cepas de viñedos y sake se deriva de una cepa de África domesticados. Si es así, sería de esperar aislamientos clínicos y natural a estar más estrechamente relacionados con las cepas aisladas de los viñedos, que tienen una distribución cosmopolita en comparación con las cepas tradicionales de África vino. Clínica y naturales aislados, sin embargo, no muestran ninguna relación evidente con las cepas asociadas con el hombre fermentaciones.

Aunque la relación genealógica entre las cepas de S. Cerevisiae muestran que la especie en su conjunto no está domesticado, los datos apoyan la hipótesis de que algunas cepas son domesticados. Sobre la base de los bajos niveles de la diversidad dentro de las cepas de viñedos y sake y la clara separación de estos dos grupos, proponemos dos eventos de domesticación, una para la levadura utilizada para producir vino de uva y una para la levadura utilizada para producir vino de arroz. Cuando estos eventos podría haber ocurrido? La domesticación se habría producido después de la divergencia entre la viña y sake cepas, pero antes de la diferenciación entre la viña y entre las cepas de sake. Estos dos puntos de tiempo puede ser aproximadamente estimado de la cantidad media de las diferencias por sinónimo sitio entre las cepas de la viña sake, 1,28 × 10 -2, y el número medio de diferencias entre la viña, 2,92 × 10 -3, y entre el sake Cepas, 4,06 × 10 -3, respectivamente (véase Materiales y Métodos]. Suponiendo una tasa de mutación puntual de 1,84 × 10 -10 por cada par de base (pb) por la generación de 2920 y de las generaciones por año, la estimación del tiempo de divergencia entre los dos grupos es de aproximadamente 11900 años, y dentro de la viña y el grupo de sake grupo es Aproximadamente 2700 y aproximadamente 3800 años, respectivamente (véase Materiales y Métodos]. Estas fechas podrían ser fácilmente un orden de magnitud más si el número de generaciones por año es una décima que obtuvo asumiendo una tasa de crecimiento exponencial. Curiosamente, el período de tiempo es consistente con la evidencia arqueológica antes de la elaboración de los vinos, aproximadamente 9000 años atrás [17]. Cabe señalar que la prueba de que estas cepas son domesticados requiere pruebas que demuestren que han adquirido características ventajosas a los seres humanos a través de la actividad humana, ya sea intencional o no. La hipótesis alternativa es que a la domesticación inicial de la fermentación natural de los seleccionados la mayoría de los aislados susceptibles a la producción de bebidas alcohólicas y que estos primeros aislamientos han sido utilizadas por el hombre desde entonces.

La fuente de población tanto para el sake y vino de las cepas de uva no está claro, pero es probablemente similar a la fuente de la población cepas clínicas. Insectos, en particular moscas de la fruta, una de las posibilidades presentes [22, 23]. Numerosas cepas de S. Y S. cerevisiae Paradoxus han sido aisladas de roble exudados en América del Norte [24], y los exudados de árboles a menudo son visitadas por insectos [22]. Tres de estos aislamientos roble se incluyeron en nuestro estudio y se encuentran entre las más diversas de las cepas (Figura 1]. Habida cuenta de que S. Paradoxus mayoría de los casos se encuentran en asociación con árboles de ambos exudados Europa [25, 26] y de América del Norte [24], las cepas de S. Cerevisiae aisladas de exudados de árboles puede ser verdaderamente "salvajes" de levadura. Si la levadura aislada de la palma africana sigue siendo domesticados vino es una cuestión abierta, aunque cabe señalar que la palma africana vino se hace mediante la recopilación de savia aprovecharse de palma de aceite y se produce la fermentación natural, sin adición de levaduras.

Materiales y Métodos

Las cepas se obtuvieron de una serie de personas y de existencias de los centros. B1-B6 se obtuvieron a partir de B. Dunn; I14 de J. Fay; Banco de Desarrollo del Caribe y PR de Red Star, Berkeley, California, Estados Unidos; K1-K15 de N. Goto-Yamamoto y de la colección de cultivos NODAI; M1-M34 de R . Mortimer; SB de Whole Foods, Berkeley, California, Estados Unidos; UC1-UC10, de la Universidad de California, Davis existencias centro; Y1-Y12 C. Kurtzman y de la colección de cultivos ARS; YJM145-YJM1129 de McCusker J., y YPS163-YPS1009 eran de la colección de P. Sniegowski.

Cinco genes, CCA1, CYT1, MLS1, PDR10, y ZDS2, y sus promotores fueron secuenciados en 81 cepas (véase el cuadro 1]. Estos genes fueron seleccionados en forma aleatoria, de todas las secuencias intergénicas divergently transcritas aguas arriba de los genes funcionalmente anotado con clara orthologs en S. Paradoxus. Las regiones incluyen secuenciado 3671 pb de la secuencia de codificación y 3561 pb de secuencia no. Para cada gen, las dos líneas de productos de la PCR fueron purificados secuenciado usando Big Dye (Perkin Elmer, Boston, Massachusetts, Estados Unidos) el cese reacciones. Secuencia de variación se identificó utilizando phred, phrap, y consed [27]. Para la construcción del árbol vecino a participar, un único alelo se utilizó con las cepas de heterocigotos sitios. El alelo fue escogido de forma aleatoria de los dos haplotipos inferirse FASE [28].

Secuencia de los datos fueron analizados mediante el DNASP [29]. Población subdivisión se puso a prueba por una prueba de permutaciones de acuerdo con las categorías de fuentes de la que se obtuvo cada cepa (Tabla 1]. El tiempo medio desde la divergencia de las dos cepas se obtuvo por k = 2 μ μ t 2 t, donde k es la tasa de sustitución, μ es la tasa de mutación por bp y t es el tiempo en generaciones. La tasa de mutación se ha estimado en CAN1 y SUP3 a 2,25 × 10 -10 por cada par de base por generación [30]. Teniendo en cuenta que el 82% de las mutaciones espontáneas son sustituciones única base [31], calculamos la tasa de mutación puntual es 1,84 × 10 -10 pb por cada generación. S. Cerevisiae puede reproducir en 90 minutos, o 16 generaciones por día. Sin embargo, aun en óptimas condiciones de laboratorio el número de generaciones durante un período de 24 h es, por lo general mucho menos. Para obtener divergencia vez en años en lugar de las generaciones, se asumió S. Cerevisiae puede pasar por un máximo de ocho generaciones por día o 2920 generaciones por año.

Apoyo a la Información

Damos las gracias a dos revisores anónimos, P. Sniegowski y miembros de la Fay laboratorio para comentarios y sugerencias. También damos las gracias a B. Dunn, N. Goto-Yamamoto, R. Mortimer, C. Kurtzman, McCusker J., y P. Sniegowski para contribuir cepas de levadura y Heidi Kuehne para la recogida de cepas asociadas con exudados de roble. Sin su ayuda este trabajo no habría sido posible.