Faculty of Food Technology and Biotechnology, University of Zagreb
Abstract
Evolution and genome stabilization have mostly been studied on the Saccharomyces hybrids isolated from natural and alcoholic fermentation environments. Genetic and phenotypic properties have usually been compared to the laboratory and reference strains, as the true ancestors of the natural hybrid yeasts are unknown. In this way the exact impact of different parental fractions on the genome organization or metabolic activity of the hybrid yeasts is difficult to resolve completely. In the present work the evolution of geno- and phenotypic properties is studied in the interspecies hybrids created by the cross-breeding of S. cerevisiae with S. uvarum or S. kudriavzevii auxotrophic mutants. We hypothesized that the extent of genomic alterations in S. cerevisiae × S. uvarum and S. cerevisiae × S. kudriavzevii should affect the physiology of their F1 offspring in different ways. Our results, obtained by amplified fragment length polymorphism (AFLP) genotyping and karyotyping analyses, showed that both subgenomes of the S. cerevisiae x S. uvarum and of S. cerevisiae × S. kudriavzevii hybrids experienced various modifications. However, the S. cerevisiae × S. kudriavzevii F1 hybrids underwent more severe genomic alterations than the S. cerevisiae × S. uvarum ones. Generation of the new genotypes also influenced the physiological performances of the hybrids and the occurrence of novel phenotypes. Significant differences in carbohydrate utilization and distinct growth dynamics at increasing concentrations of sodium chloride, urea and miconazole were observed within and between the S. cerevisiae × S. uvarum and S. cerevisiae × S. kudriavzevii hybrids. Parental strains also demonstrated different contributions to the final metabolic outcomes of the hybrid yeasts. A comparison of the genotypic properties of the artificial hybrids with several hybrid isolates from the wine-related environments and wastewater demonstrated a greater genetic variability of the S. cerevisiae × S. kudriavzevii hybrids. Saccharomyces cerevisiae × S. uvarum artificial and natural hybrids showed considerable differences in osmolyte tolerance and sensitivity to miconazole, whereas the S. cerevisiae × S. kudriavzevii hybrids exhibited differences also in maltotriose utilization. The results of this study suggest that chromosomal rearrangements and genomic reorganizations as post-hybridization processes may affect the phenotypic properties of the hybrid progeny substantially. Relative to their ancestors, the F1 segregants may generate different phenotypes, indicating novel routes of evolution in response to environmental growth conditions.Evolucija i stabilizacija genoma kvasca uglavnom se proučavaju s pomoću interspecijskih hibrida roda Saccharomyces, izoliranih iz prirodnih staništa ili tijekom alkoholnih fermentacija. Njihova genetska i fenotipska svojstva obično se uspoređuju sa svojstvima laboratorijskih i referentnih sojeva, budući da su izvorni roditeljski sojevi prirodnih hibrida kvasaca nepoznati. Na ovaj je način teško u potpunosti razumjeti utjecaj različitih roditeljskih frakcija na organizaciju genoma ili metaboličku aktivnost hibrida kvasaca. U ovom je radu proučena evolucija genotipskih i fenotipskih svojstava interspecijskih hibrida, nastalih križanjem kvasca S. cerevisiae s auksotrofnim mutantima kvasaca S. uvarum i S. kudriavzevii. Naša je hipoteza bila da bi genomske promjene nastale u hibridima S. cerevisiae × S. uvarum i S. cerevisiae × S. kudriavzevii trebale na različite načine utjecati na fiziologiju njihovih F1 segreganata. Rezultati dobiveni genotipizacijom, tj. analizom polimorfizma duljine umnoženih fragmenata (engl. amplified fragment length polymorphism - AFLP) i kariotipizacijom pokazuju da su oba subgenoma hibrida S. cerevisiae × S. uvarum i S. cerevisiae × S. kudriavzevii izmjenjena. Međutim, promjene genoma segreganata F1 hibrida S. cerevisiae × S. kudriavzevii bile su znatnije od onih segreganata hibrida S. cerevisiae × S. uvarum. Novi su genotipovi utjecali na fiziološke značajke hibrida te nastanak novih fenotipova. Bitna je razlika među hibridima S. cerevisiae × S. uvarum i S. cerevisiae × S. kudriavzevii opažena u potrošnji šećera i različitoj dinamici rasta kod povećanih koncentracija natrijevog klorida, uree i mikonazola. Roditeljski su sojevi različito utjecali na konačnu metaboličku sliku hibrida kvasaca. Usporedbom genotipskih svojstava umjetnih hibrida s nekoliko hibrida izoliranih iz prirodnih staništa (vinograda i otpadnih voda) utvrđena je veća genetska raznolikost hibrida S. cerevisiae × S. kudriavzevii. Umjetni i prirodni hibridi Saccharomyces cerevisiae × S. uvarum bili su različito osjetljivi prema osmolitima i mikonazolu, dok su se hibridi S. cerevisiae × S. kudriavzevii razlikovali i u potrošnji maltotrioze. Iz dobivenih se rezultata može zaključiti da kromosomalna rekombinacija i genomska reorganizacija kao post-hibridizacijski procesi mogu značajno utjecati na fenotipska svojstva hibridnih potomaka. U usporedbi s roditeljskim sojevima, segreganti F1 mogu generirati različite fenotipove, što upućuje na zaključak da su specifični uvjeti rasta kvasaca uzrokovali nastanak novih evolucijskih tokova
