多细胞生物进化的研究揭示了雪花酵母的巨大变化

作者: 糖兽

来源: https://research.gatech.edu/journey-origins-multicellular-life-long-term-experimental-evolution-lab, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06052-1

发布日期: 2023-05-27 20:30:31

一项新研究展示了雪花酵母经过3000多代的进化,变成了比其祖先大2万多倍的多细胞个体,揭示了多细胞生物进化的全新物理机制。

如果没有多细胞生物,地球看起来将会像是火星的一个更湿润、更绿色的版本。在塑造地球成为现如今的样貌方面,多细胞生物扮演了至关重要的角色。然而,关于多细胞生物究竟是如何从单细胞祖先进化而来的,科学家却知之甚少,只知道这种转变发生在数亿年前,许多早期的多细胞物种现在都已灭绝。

在一篇新发表于《自然》杂志上的论文中,一组研究人员展示了他们的模式生物雪花酵母(Saccharomyces cerevisiae)经过3000多代的进化后,变成了更强壮,比它们的祖先大2万多倍的多细胞个体。这项新的研究是一个正在进行的长期进化实验项目的第一份重要报告。

2018年,为了研究多细胞生命是如何从零开始进化的,这个研究团队决定启动了一个预期将持续几十年的长期进化研究——“多细胞长期进化实验”(MuLTEE)。研究人员希望能在实验室中,观察到生命从单细胞祖先进化成新的多细胞生物的过程。在新发表的这项研究中,研究人员在振荡培养箱中培养单细胞的雪花酵母,然后每一天,他们都会对那些有着更快的生长速度和更大的群体规模的雪花酵母进行选择。

在实验中,经过600轮的选择,大约3000代的进化迭代,研究人员发现这些雪花酵母进化成了宏观的,比它们的单细胞祖先大2万多倍的群体。它们从肉眼不可见的大小,长到果蝇大小,包含超过50万个细胞。在研究雪花酵母如何适应变大的过程中,研究人员观察到酵母细胞本身变得细长了,这减少了细胞的密度,而且这种细胞延伸可以减缓细胞间应力(通常会导致细胞簇断裂)的积累,从而使细胞群能够变得更大。

他们发现了能使这些群体发展到如此庞大规模的全新物理机制:酵母的分支已经纠缠在了一起,细胞群进化出了藤蔓状的行为,它们相互纠缠,加固了整个结构。利用这种纠缠的生物力学机制,雪花酵母的材料硬度增强了大约1万倍。作为一种全新的多细胞生物,雪花酵母缺乏现代多细胞生物所特有的复杂发育机制。但经过3000多代的实验室进化,酵母发现了如何驱动和选择细胞纠缠作为一种发育机制。

研究人员认为,观察到这种纠缠是理解多细胞群体是如何进化的一个转折点。他们还对其他一些多细胞真菌进行了初步研究,发现它们也形成了高度纠缠的多细胞体,这表明纠缠是多细胞生命分支中广泛且重要的细胞特征。

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