A rokon fajok közötti alkalmankénti hibridizálódás lehetőséget teremthet horizontális géntranszferre és lényeges hatással lehet a fajok evolúciójára. A Saccharomyces sensu stricto csoport kíváló kísérleti rendszer a hibridizációs folyamat és következményeik tanulmányozásához mivel a fajai még nincsenek a teljes genetikai elhatárolódottság stádiumában. Eddigi vizsgálataink feltárták, hogy az alloploid Saccharomyces genom instabil, és fokozatos stabilizálódási folyamaton keresztül olyan kisebb méretű mozaik genommá alakul, amely két vagy több fajból származó elemekből áll. Mostani pályázatunkban olyan kutatási programra teszünk javaslatot, amely feltárhatja az alloploid genom stabilizálódásának mechanizmusát. “Természetes” (feltehetőleg stabilizálódott) és laboratóriumi “mesterséges” (instabil) hibrideket fogunk vizsgálni hagyományos genetikai módszerekkel, a hibridizáló fajok teljes genomját átfogó, faj-specifikus molekuláris markerek tesztelésével, elektroforetikus kariotipizálással, array-CGH-zsel, stb. A természetes hibridek vizsgálatából megtudhatjuk, hogy milyen terminális genomtípusokhoz vezet a természetben lejátszódó stabilizációs folyamat. A laboratóriumi hibridek mitotikus és meiotikus szegregánsainak elemzése feltárja a stabil mozaikgenomokhoz vezető genomredukció fő útvonalait. A nyilvánvaló alapkutatási jelentőség mellett, az eredményeknek gyakorlati vonatkozásai is lehetnek, mivel a Saccharomyces fajokat elterjedten alkalmazzák fermentációs technológiákban.
Summary
Occasional hybridisation between closely related species is supposed to be a process that allows horizontal gene transfer and thus may have a significant impact on the evolution of species. The Saccharomyces sensu stricto group is an excellent experimental model system for studying the hybridisation process and its consequences because its species are in a stage of incomplete genetic isolation. Our recent results revealed that the alloploid Saccharomyces hybrid genome is unstable and undergoes a gradual stabilisation process leading to a smaller mosaic genome composed of elements of two or more species. Now we propose a research project to elucidate the mechanism(s) of alloploid genome stabilisation. We will analyse “natural” (presumably stabilised) and laboratory-made “artificial” (unstable) hybrids and their segregants by means of conventional genetic methods, molecular species-specific markers covering the entire genomes of the hybridising species, electrophoretic karyotyping, array-CGH, etc. The examination of the natural hybrids will possibly show the terminal types of the stabilisation process taking place in natural environment. The investigation of the mitotic and meiotic segregation of the laboratory hybrids will identify the major routes of genome reduction leading to stabile mosaic genome structures. Apart from the obvious basic aspects, the results may also have applied relevance since the Saccharomyces species are widely used in fermentation technologies.
Final report
Results in Hungarian
Természetes eredetű fajközötti hibridek (genom-chimérák) és szintetikus (laboratóriumban létrehozott) fajközötti hibridek analízise kimutatta, hogy a Saccharomyces cerevisiae és a Saccharomyces uvarum fajokat kettős sterilitási barrier választja el egymástól: az allodiploidokban érvényesülő hybrid-sterilitás (a hybrid sejtek nem képeznek életképes aszkospórákat) és az allotetraploidokban működő F1-sterilitás (az F1 sejtek nem képeznek életképes spórákat). Az F1-sterilitást a MAT-lókusz heterozigótasága okozza. Ez a barrier nem teljes, lebontható a S. uvarum kettes kromoszómájának eliminálásán keresztül, amelyik MAT-lókuszt is hordozza. Az S. uvarum MAT-lókuszának eltávolítása megszünteti a párosodási képesség gátlását. A gátlás alól felszabadult alloaneuploid F1 szegregánsok tenyészeteiben a sejtek egymással párosodhatnak, mintha haploidok lennének, és zigótákat hozhatnak létre, amelyek utódsejtjeiben fertilis F2 spórák képződhetnek meiózissal. Ismereteink szerint ez az első leírása egy olyan mechanizmusnak, amely kromoszómavesztésen keresztül szünteti meg a fajok közötti sterilitási gátat. Az így létrejövő utódgenerációk genetikailag instabilok és további változásokon eshetnek át, elsősorban a S. uvarum genomrészben. Feltehető, hogy a fertilitás helyreállítása és az azt követő genomredukciós események vezetnek a borászati és söripari élesztőkben előforduló chimera-genomok képződéséhez. Lehetséges, hogy szerepük volt a Saccharomyces nemzetség hybrid fajainak képződésében is.
Results in English
The analysis of natural interspecies hybrids (genomic chimeras) and synthetic (lab-made) interspecies hybrids revealed that Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces uvarum are isolated by a double sterility barrier: by hybrid sterility (hybrid cells cannot produce viable spores) operating in allodiploids and by F1 sterility (F1 cells cannot produce viable spores) operating in allopolyploids. F1-sterility is caused by mating-type heterozygosity. This barrier is not absolute; it can be overcome by eliminating chromosome 2 of the S. uvarum subgenome that carries a MAT locus. The loss of this MAT gene abolishes the repression of mating activity. In cultures of the resulting fertile alloaneuploid F1 segregants, the cells can conjugate with each other like haploids and form zygotes capable of performing meiotic divisions producing viable and fertile F2 spores. To the best of our knowledge, this is the first report on breaking down interspecies hybrid sterility by chromosome loss in eukaryotic organisms. The filial generations are genetically unstable and can undergo additional changes mainly in the S. uvarum subgenome (directional changes). It is proposed that regaining fertility and subsequent preferential reduction of one of the subgenomes may account for the formation of chimerical ('natural hybrid') genomes found among wine and brewery strains and may also play roles in speciation of hybrid taxa in the Saccharomyces genus.
Csoma, H., Zakany, N., Capece, A., Romano, P., Sipiczki, M.: Biological diversity of Saccharomyces yeasts of spontaneously fermenting wines in four wine regions: comparative genotypic and phenotypic analysis., Int. J. Food. Microbiol. 140:239-248, 2010
Sipiczki, M., Csoma, H., Z. Antunovics, W. Pfliegler: Biodiversity in yeast populations associated with botrytised wine making., Mitteilungen Klosterneuburg, 60:387-394, 2010
Pfliegler, W., Antunovics, Z., Sipiczki, M.: Interspecific Saccharomyces hybrids reveal a new way of breaking down the sterility barrier., 39th Annual Conference on Yeasts. Smolenice (Slovakia). Programme p.53, 2011
Pfliegler, W.P., Antunovics, Z., Sipiczki, M: Double sterility barrier between Saccharomyces species and its break down in allopolyploid hybrids by chromosome loss., FEMS Yeast Research 12:703-718, 2012
Antunovics, Z., Szatmari, T., Sipiczki, M.: Analysis of genome stabilisation in synthetic interspecies Saccharomyces wine yeast hybrids, 29th Int. Spec. Symp. on Yeasts. Guadalajara (Mexico), Book of Abstracts. p. 79, 2011
Sipiczki, M.: Genome plasticity in wine yeast: Fast adaptive evolution (FAGE)., 29th Int. Spec. Symp. on Yeasts. Guadalajara (Mexico), Book of Abstracts. p. 40, 2011, 2011
Sipiczki, M. Pfliegler, W.P., Holb, I.J.: Metschnikowia species share a pool of diverse rRNA genes differing in regions that determine hairpin-loop structures and evolve by reticulation, PlosOne, 2013
Pfliegler, W.P., Karanyicz, E., Sipiczki, M.: Genetic characterisation of interspecies Saccharomyces di- and trihybrids with emphasis on the fate of mitochondria., 41st Annual Conference on Yeasts. Smolenice. Programme and Abstracts., 2014
Sipiczki, M., Pfliegler, W.P., Karanyicz, E., Antunovics, Z., Kallai, Z.: Combined gene pools of Saccharomyces species: production and oenological potentials of cevarum, kudvarum and cekudvarum mosaic genomes., 37th World Congress of Vine and Wine. Mendoza, Argentina, Book of Abstracts, 2014
