Грибы из сырных пещер показывают, как генетические мутации вызывают быстрые эволюционные изменения

Многие научные открытия происходят случайно. Наблюдение эволюции в действии в сырной пещере стало именно таким случаем для Бенджамина Вульфа и его коллег.

В 2016 году Вульф убедил своего бывшего научного руководителя поехать на ферму Jasper Hill в Вермонте за образцами особого сыра Bayley Hazen Blue. В итоге этот сыр оказался в морозильнике его лаборатории. Когда аспирант Николас Лоу позже взял свежие образцы того же сыра из пещер Jasper Hill, он обнаружил, что сыр, ранее покрытый зелёным слоем грибка, стал снаружи мелово-белым.

"Это было очень захватывающе, потому что мы подумали, что это может быть примером эволюции, происходящей прямо у нас на глазах", — сказал Вульф. О находке сообщили в журнале Current Biology.

Понимание того, как грибы адаптируются к разным средам, может помочь в решении проблем продовольственной безопасности и здоровья. "Около 20% основных сельскохозяйственных культур теряется до сбора урожая из-за грибковой гнили, и ещё 20% теряется из-за грибов после сбора", — отметил Лоу.

Небольшая, но ключевая мутация

На поверхности сыров, созревающих в пещерах, формируются микробные корки из сообществ бактерий, дрожжей и нитчатых грибов (плесени). Что заставило грибы Penicillium solitum на сырах Jasper Hill изменить цвет?

Студент Джексон Ларли обнаружил, что изменение было вызвано нарушением работы гена alb1. "Alb1 участвует в производстве меланина", — пояснил Лоу. Меланин можно рассматривать как броню, защищающую от УФ-повреждений. Для грибов он создаёт зелёный цвет. "Если вы растёте в тёмной пещере и можете обойтись без меланина, логично от него избавиться, чтобы не тратить на его производство драгоценную энергию".

Это процесс "ослабленного отбора", когда экологический стрессор устранён. Это происходит со многими организмами при адаптации к темноте.

Грибы дали лаборатории Вульфа возможность выявить генетические механизмы, приведшие к небольшому эволюционному изменению. "Мы обнаружили, что изменение произошло не из-за одной мутации, захватившей всю колонию. Сдвиг цвета произошёл благодаря множеству типов мутаций, возникших независимо", — сказал Лоу.

У одних грибов были точковые мутации — изменения одной пары оснований ДНК в разных местах генома. У других была большая вставка ДНК, вызванная транспозоном. Транспозоны, или "прыгающие гены", вырезаются из одного места и вставляются в другое в геноме.

В данном случае транспозоны вставлялись перед геном alb1, что нарушало его экспрессию, фактически "выключая" его. Транспозоны могут наносить много вреда, но в этот раз это дало грибам преимущество — они перестали тратить энергию на производство меланина, что позволило им больше расти. Так в пещере Jasper Hill появились белые головки сыра.

Грибы Aspergillus относятся к тому же семейству, что и Penicillium. Понимание того, как они локально адаптируются, например, в лёгочной среде, может помочь исследователям понять и предотвратить вызываемые ими инфекции.

Сейчас лаборатория Вульфа в сотрудничестве с фермой Jasper Hill исследует ещё одно преимущество эволюции и одомашнивания грибов — создание новых видов сыра с улучшенной эстетикой, вкусом и текстурой. Они инокулировали свежий сыр бри новым белым плесневым грибком и дали ему расти и созревать два месяца.

Результат: "Он немного более ореховый и менее резкий", — сказал Лоу. По результатам дегустационной панели, новый сыр обладает многообещающими качествами, которые будут дополнительно улучшены в будущих партиях на ферме Jasper Hill.

"Наблюдение за тем, как дикие плесени эволюционируют прямо у нас на глазах в течение нескольких лет, помогает нам думать, что мы можем разработать надёжный процесс одомашнивания, чтобы создавать новое генетическое разнообразие и использовать его в сыроварении", — сказал Вульф.