在一项基于有史以来最全面的基因组数据集之一的具有里程碑意义的研究中，威斯康星大学麦迪逊分校和范德比尔特大学的科学家领导的研究小组对进化论最古老的问题之一给出了可能的答案：为什么有些物种是通才，而有些物种则是专才。

在威斯康星大学麦迪逊分校遗传学教授 Chris Todd Hittinger 和范德堡大学生物学教授 Antonis Rokas 的指导下，研究人员绘制了 1,000 多种酵母的基因蓝图、食欲和环境，构建了酵母菌的家族树，阐明了这些单细胞真菌在过去 4 亿年中是如何进化的。

研究结果于4 月 26 日发表在《科学》杂志上，表明内部因素(而非外部因素)是导致酵母能够摄取的碳类型发生变化的主要因素，研究人员没有发现任何证据表明代谢多样性或摄取不同食物的能力会带来任何权衡。换句话说，有些酵母是万事通，并且精通每一项技能。

“这真的让我们非常惊讶，”希廷格说，“专食性生物应该更擅长处理它们所专长的碳源。而通食性生物如果什么都吃，就不应该那么擅长。然而，我们看到的并不是这样的。”

这篇论文是一项持续十年的项目的成果，该项目旨在建立一个全面的数据库，以映射酵母基因组与性状之间的关系，酵母是一群遗传多样性与所有动物一样多的物种。该基因组数据集是迄今为止为如此古老而多样化的群体编制的最全面的数据集。

希廷格是大湖生物能源研究中心研究酵母代谢的研究员，他表示，除了加深我们对生物多样性的了解之外，该数据库还可以帮助研究人员识别或创造出更善于将植物糖转化为生物燃料和其他化石燃料替代品的酵母。

众多分店，不同口味

从 2015 年开始，希廷格团队对基因组进行了测序，并研究了几乎所有已知的与酿酒酵母(更广为人知的名字是面包酵母) 有远亲关系的酵母菌种的代谢情况。

他们之所以选择这一组，是因为已鉴定的物种种类繁多，且其碳饮食高度多变。

“我们有很多分支，有些分支很接近，有些分支相距较远，”希廷格说。“你有大量机会探索相同或相似的进化轨迹。我们可以看到已经获得或丢失了十几次的特征。”

他们不知道的是这两个物种之间有何关系。

汇总数据后，研究人员使用机器学习工具来确定哪些基因与哪些特征相关，包括生物体可以使用的资源范围或可以忍受的条件——这一概念被称为“生态位宽度”。

与其他生物一样，一些酵母进化成了专食动物——比如考拉，它们只吃桉树叶——而另一些酵母则是通食动物，比如浣熊，它们几乎什么都吃。

自从查尔斯·达尔文于 1859 年提出进化论以来，科学家一直在试图解释为什么存在通才和专才。

“这些想法在达尔文时代就开始渗透，此后不久，人们开始......将生态学作为自然选择运作方式的基础，”希廷格说。

科学家提出了两种广泛的模型来解释这一现象。

有一种观点认为，通才动物是万事通，但没有一项是精通的，这意味着它们可以忍受更广泛的条件或食物来源，但不像专家那样在任何特定的领域占据主导地位。

另一种理论认为，内部和外部因素的结合推动了生态位的变化。

例如，生物体可以获得基因，使其能够制造能够分解多种物质的酶，从而扩大其可食用的食物范围。相反，随着时间的推移，基因的随机丢失可能会导致味觉变窄。

同样，环境也会对特征施加选择压力。因此，只有一两种食物来源或恒定温度的栖息地会有利于专长型生物，而通才型生物则可能在食物或条件更为广泛的环境中表现更好。

当谈到酵母代谢时，希廷格团队没有发现权衡的证据。

“通才型生物在所有可以利用的碳源方面都表现更好，”希廷格说。“通才型生物也能够比碳专才型生物利用更多的氮源。我根本无法预测到这种关系。”

数据还显示，环境因素仅发挥有限的作用。

这也令人惊讶，论文共同作者达娜·奥普伦特 (Dana Opulente)说，她以威斯康星大学麦迪逊分校的博士后研究员身份开始了该项目，现在是 维拉诺瓦大学 生物学助理教授[WC1] 。

“我们可能以为会发现主要对驯化菌株的专一菌，但事实并非如此，”奥普伦特说。“我们可以在土壤和花朵中找到通才菌和专一菌。我们在所有相同的地方都找到了它们。”

Hittinger 提醒说，从数据中推断出的结果有局限性。在未研究的物种中可能存在权衡。用于测量代谢生长的实验室实验无法复制酵母在自然界中生存的土壤、树皮或昆虫肠道中的条件。

奥普伦特目前正致力于收集更多有关自然环境的数据，这可能揭示出生态位宽度受到更强大的生态影响。

“如果我们有更多的数据，那么就可以提出很多其他问题，”奥普伦特说。

这项研究也没有解释为什么如果没有权衡的话，所有酵母都不是通才。

一种可能的解释是，基因经常在进化过程中消失，只要它不是生存所必需的，突变就会传递并接管整个种群。在这一过程中，专长者可能会不断从通才进化而来。

“我还不确定我们是否已经回答了这个问题，”希廷格说。