低調卻又無所不在：你我身邊熟悉的陌生人，臺灣森林裡的「野生釀酒酵母菌」
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。
臺灣「野生釀酒酵母」的多樣性 研究釀酒酵母，一種被人類廣泛利用的微生物，釀酒、做麵包都會用到，此外也被大量用於科學研究。可以說不論在食品或學術上，釀酒酵母早已進入你我的生活。然而，釀酒酵母除了人類常用菌株（strain）是來自原有已知的幾個馴化譜系（domesticated lineage）之外，其實還有非常多野生譜系不為人知。中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心蔡怡陞副研究員，他與研究團隊尋覓臺灣野生的釀酒酵母，意外發現臺灣島的面積雖然相比之下較小，野生釀酒酵母的遺傳多樣性卻是世界最高！論文已於 2022 年 3 月 31 日發表於《基因組研究 》（Genome Research ）。
不管釀酒還是做麵包，都不可或缺 的釀酒酵母
釀酒酵母的學名叫作 Saccharomyces cerevisiae （簡稱 S. cerevisiae ），它在釀酒或烘焙等食品業中最具代表性，也是最常見的模式生物之一。釀酒酵母作為單細胞真核生物的代表，大量用於學術研究，蔡怡陞團隊的成果即是一例。
至於釀酒酵母的產業應用，例如常見的愛爾（Ale）與拉格（Lager）啤酒來說，前者發酵溫度在 20℃ 左右，菌株就是上述的 S. cerevisiae ，味道較濃郁；後者的特色是低溫發酵 10℃ 左右，菌株是人類特別選殖 的雜交品系（註 1），味道較清爽。
常溫發酵的愛爾啤酒較濃郁、顏色深，低溫發酵的拉格啤酒較清淡、顏色淺。圖／Pexels 有趣的是，世界各地的人、歷史與文化也許有別，愛酒的心 卻都一樣，歐洲培育出發酵啤酒的品系，日本也獨立馴化獲得釀造清酒的酵母菌。
除了釀酒之外，製作麵包也需要釀酒酵母，故 S. cerevisiae 也稱作麵包酵母。仰賴小規模手工業的古時候，麵包師都有自己的獨家酵母，師傅教徒弟時，傳承的不只技術，也包括酵母麵團。
邁入近代社會以後，各行各業都走向標準化，釀酒酵母也不例外。如今不同麵包師大都使用同一種量產酵母。
釀酒酵母不只用於釀酒，烘焙業也常拿來讓麵團發酵，做出好吃的麵包。圖／Unsplash 啤酒與麵包這些案例鮮活地說明，釀酒酵母深受人類影響，這也是大部分酵母菌演化研究關注的主題。
然而蔡怡陞實驗室則不同，他關心的對象是處於人類影響以外、還沒有被馴化 的野生釀酒酵母們。這些野生釀酒酵母們和食品業常用的菌株是同一物種（species），學名都是 S. cerevisiae ，但是為不同菌株（strain）。
由於釀酒酵母的產業運用和微觀機制探討已經相當成熟，但是人們對於釀酒酵母在生態中的角色依然所知有限，以前人們甚至懷疑過，真的有野生的釀酒酵母嗎？後來才知道不但有，而且多樣性還不小，與人類密切接觸的只是少數幾款。
那麼，蔡怡陞團隊是如何找出低調的臺灣野生釀酒酵母呢？
看不到卻無所不在：臺灣野生釀酒酵母的探尋之旅
蔡怡陞過去就對酵母菌相當有興趣，因為這是他在倫敦帝國學院就讀博士班的起家主題！當時他研究的是釀酒酵母最近的親戚 Saccharomyces paradoxus 。
回到中研院後，他決定在臺灣再度開啟野生釀酒酵母的研究，與博士生李佳燁、助理劉育菁、柳韋安等人多年奮鬥後，有了出乎意料的發現！如今回首 6 年來的探索過程，並不容易。
要研究野生的釀酒酵母，第一步當然是去野外採集，可是人的眼睛看不見酵母菌，所以沒辦法用視覺辨識直接採樣，要把樣本帶回實驗室，初步處理後浸入培養液，等待兩個星期才能得知結果：釀酒酵母是否存在。
實驗室使用特製培養液，有利於釀酒酵母生長，不利其他微生物。理想上，即使釀酒酵母原本的存在感很低，也能在培養液中放大。
因為酵母菌肉眼不可見，研究團隊需在廣大森林中採樣，並將處理後的樣本浸入培養液長達兩週，之後嘗試分離微生物並鑑定，才能確認是否成功採集到釀酒酵母。圖／研之有物 （酵母菌圖源／蔡怡陞提供、腦海工作室 製圖） 假如等待一段時間後，培養液長不出酵母菌， 也許是一開始就真的沒有，但是有沒有可能是因為採樣和培養時有缺失，害得酵母菌長不出來？或是釀酒酵母確實存在，卻由於數量太少而無法見到？
蔡怡陞回憶，開始這項計畫的第一年，幾乎一無所獲。根據歐洲與美洲的研究經驗，野生釀酒酵母常常於橡樹表面生長，橡樹屬於殼斗科植物，所以一開始多半以市區外圍森林，如殼斗科的樹皮為目標，卻不斷失敗。
後來往更廣的範圍採樣，並與生多中心研究人員鍾國芳 、黃仁磐 等實驗室合作，這才克服難關，順利從多種植物的果實、樹葉、樹幹、地面、甚至是地衣等來源獲得酵母菌，並且訝異地得知，釀酒酵母在臺灣的森林其實非常普遍。
蔡怡陞歸納出的模式是：臺灣野外森林中，釀酒酵母普遍存在，但是比例非常低，可謂低調卻無所不在。
釀酒酵母在顯微鏡下的照片。釀酒酵母有人類馴化過的菌株，也有野生譜系。野生的釀酒酵母在自然界中普遍存在，但是比例相當低。Wikimedia 如何歸納出以上結論呢？這要利用如今基因體學的新工具：總體基因體學（metagenomic）。原理是取得環境樣本後，直接定序其中所有 DNA 片段，或是所有物種都有的擴增子（amplicon），再與資料庫對照；如此一來，便能估計目標佔整體的比例，蔡怡陞團隊就是去估算釀酒酵母佔其生長環境中的比例。
從環境採樣培養出釀酒酵母以後，由中研院定序核心實驗室的呂美曄，回頭定序該樣本的擴增子，接著由蔡怡陞實驗室的林渝非分析。野外採集的樣本中，絕大部分是細菌，通常高達至少 99% 之多；剩下多半為真菌（和原生生物等等），其中只有極低比例是釀酒酵母，最多也只佔 0.012%。因此同樣是細菌、真菌等微生物，釀酒酵母的存在感是低於 1% 中的 0.012% 以下，換句話說，不超過百萬分之 12！
透過總體基因體學的分析，能夠量化 釀酒酵母在天然環境下的存在感。蔡怡陞也強調培養液很重要，否則無法讓低調的酵母菌現形。抓到目標後就能分離酵母菌，培育建立新的菌株，並且經由團隊成員李昕翰、柯惠棉的定序、組裝獲得完整的基因組。藉此獲得一百多個臺灣各地的菌株及其遺傳訊息，用於進一步研究。
蔡怡陞實驗室中，放入培養液和樣本的 6 支試管。培養液相當重要，負責讓低調但無處不在的釀酒酵母現身。圖／研之有物 釀酒酵母的多樣性，臺灣竟然世界最複雜？ 要了解蔡怡陞實驗室新論文的意義，必須先認識別人過去的研究。
2018 年就有研究者從世界各地收集超過一千個釀酒酵母品系，探討親緣關係。分析發現野生釀酒酵母們彼此的變化差異還不小，東亞的中國為最多變之處；將所有酵母菌擺在一起畫演化樹，中國採集到的品系能歸類到不同譜系（lineages），包括與同類最早分家，差異最大的譜系。
演化樹是一種建構親緣關係的工具，所有樣本中，兩個樣本假如有最近的共同祖先，通常遺傳上的差異也會愈少，便會被歸類到一塊；這一批和其次相近的另一批樣本們，又會被歸類到一群，就這樣一直向前回溯（見下圖），形成看似樹狀的關係。而這棵樹上愈早分離的譜系，也就代表差異愈大，愈早和其他樣本分家。
演化樹與地理關係的示意圖，通常有兩種情況，左邊表示不同地點（A,B,C,D）採集的樣本，在演化樹上有明確先後次序，可推論出如何在地理上傳播；右圖表示不同地點（A,B,C,D）採集的樣本，在演化樹上無明確先後次序，傳播路徑交織在一起。圖／研之有物 中國採集的釀酒酵母們，不但有些被歸類到較晚分家的不同群，幾個樣本更自成一群，形成最早分出的演化樹枝。這些證據有力地支持：中國是釀酒酵母的起源地。然而，案情並不單純！
將臺灣的一百多個菌株擺進演化樹，驚奇的事發生了！臺灣存在的釀酒酵母們，竟然也被歸類進各大譜系，並有新的譜系，這表示臺灣的釀酒酵母多樣性，和中國一樣高。而且還有一款進入之前於中國採集到，與同類最早分家的那一群。
驚奇之處在於，擺在全世界的尺度下看，臺灣只是一個很小的島，地處東亞大陸邊緣。中國面積龐大，釀酒酵母具備全世界最高的多樣性並不意外，也被認為很可能是發源地；可是小小的臺灣，竟然也存在一樣高的複雜度。
簡化過的野生釀酒酵母演化樹示意圖，蔡怡陞團隊採集到的臺灣野生釀酒酵母譜系中，發現有一款和先前中國採集樣本都是最早分家的一群（黃框處），地理傳播也交織在一起。這表示臺灣的釀酒酵母多樣性，和中國一樣高，兩者皆為世界第一。圖／研之有物 （資料來源／蔡怡陞） 有沒有可能臺灣多變的品系，並非起源自當地，而是被人類無意間帶來的呢？應該不可能，因為根據遺傳差異估計，那些野生譜系們分家後衍生的年代，都早於人類在附近活動的時間；由此可以推論，目前的分佈狀況，非常可能是自然傳播的結果（或許是隨著殼斗科森林）。
所以我們可以說，臺灣是釀酒酵母最初的起源地嗎？不行 。符合已知證據，比較合理的解釋是，釀酒酵母於東亞發跡，所以在東亞地區的遺傳多樣性也最高；而臺灣也包含於此一交流範圍之內，從最早的始祖開始，從古至今逐漸分家的釀酒酵母們，可能陸續，或是在同一段交流時期進入臺灣，一直低調默默生存到現在，仍保持原鄉的面貌。
然而，好的研究不只要知道有多少已知，更要知道還有多少未知。蔡怡陞提醒我們，目前研究有個盲區：東南亞地區的取樣仍十分有限。根據已知的樣本，最早與同類分家的酵母菌，它們的後裔位於中國和臺灣，故推論東亞地區是起源地。
可是取樣匱乏的東南亞，會不會住著更早分家前輩的後裔呢？這是目前無法回答的問題。
野生釀酒酵母在中國與臺灣的實際採樣分布，發現臺灣譜系的數量是全世界同尺度地區中最高的。其中 TW1 和 CHN-IX 皆為最早分家的一群，證明了台灣是發跡地之一。小小的臺灣卻擁有如此高的多樣性，就是讓人驚奇之處。圖／研之有物 （資料來源／蔡怡陞） 釀酒酵母實際的演化樹，這是從樹狀圖捲曲起來的另一種表達形式，其中 TW1 和 CHN-IX 皆為野生樣本，且是最早分家的一群。圖／研之有物 （資料來源／蔡怡陞） 你我所不知道的小世界，野生釀酒酵母的生殖、生態學 總之根據現有的資訊，臺灣釀酒酵母的多樣性在同樣尺度下比較確實為世界最高 。
大量取樣下還能觀察到，距離非常近的採集地點，竟然同時住著遺傳上差異很大，不同譜系的菌株（甚至在同一棵樹！）。相比之下，中國酵母的多樣性也高，但是分佈並不密集，相近的地理範圍內通常存在遺傳上類似的菌株。
不同研究的手法不同，這會不會是中國研究者採集較為稀疏，取樣方式導致的偏誤呢？蔡怡陞表示，的確無法排除前述可能性；但是他反而認為過去的採集方式，說不定都忽略了微生物近距離的分佈與多樣性，所以更需要反思過往認知微生物的生物地理關係。
不過他也認為中國的釀酒酵母確實住的比較分散；因此差異大的品系住在附近這回事，搞不好真的是臺灣特色 ，至少是率先在臺灣觀察到。
了調查臺灣野生釀酒酵母的多樣性，蔡怡陞團隊也發現野生的釀酒酵母大部分是採取無性生殖，不同品系之間雖然會有遺傳交流，但是相當有限。圖／研之有物 另一件有趣的發現是遺傳交流。釀酒酵母是單細胞真核生物，實驗室環境下可以無性生殖，自己複製自己；也可以隨時切換成有性生殖，和同類一起生寶寶。利用菌株間的遺傳差異，可以預測自然界的釀酒酵母，大部分時候採行無性生殖（這是蔡怡陞博士班時期努力的主題！）。
既然臺灣存在許多遺傳有別的野生品系，有時候又住的很近，它們之間會遺傳交流嗎？
比對基因組得知，會，不過不常見 ，大約每幾百到幾萬次無性生殖才有 1 次有性生殖。這證實蔡怡陞對酵母菌生殖的推論，替釀酒酵母生態學新添一分認識。
讓學術研究結合產業應用，找到野生釀酒酵母之後
有趣歸有趣，但是研究臺灣野生釀酒酵母有什麼意義 呢？
從學術上來說，蔡怡陞指出，臺灣生態系複雜，本次透過基因體學手法得到量化證據，支持釀酒酵母這種微生物，在臺灣的多樣性很高。這項在臺灣採樣的本土研究，也大幅增進全世界對釀酒酵母的認識，並可更進一步開始探討釀酒酵母在自然界所扮演的角色。
從產業上來說 ，在蔡怡陞團隊的辛苦調查與記錄之後，未來我們是否可以期待廠商用臺灣在地的野生釀酒酵母做啤酒呢？
釀酒酵母是與人類互動最密切的微生物之一，但是人們對野生的釀酒酵母了解卻很有限，可謂無比熟悉的陌生人 。蔡怡陞採集到眾多野生的菌株品系，不論學術研究或產業應用，都可能有進一步發展。
目前實驗室正在把這些菌株「帶」回實驗室，開始量化相關的表現型（phenotypes）。等到時機成熟，他歡迎各界合作，一起探索臺灣自然資源的潛力。
蔡怡陞與實驗室團隊合影，前排由左往右為：李佳燁、柯惠棉；後排由左往右為：蕭禎、劉育菁、蔡怡陞、林渝非。這次論文中公開的眾多野生釀酒酵母菌株，不論學術研究或產業應用，都有相當的發展潛力。圖／研之有物 註解 拉格啤酒採用的菌株是 Saccharomyces pastorianus ，為 S. cerevisiae 及 S. eubayanus 兩者雜交而成。 參考資料 蔡怡陞（2017）。〈多樣性決定味覺豐富度，釀酒酵母的「萬年傳統全新感受」〉，《環境資訊中心》。 Lee, T. J., Liu, Y.-C., Liu, W.-A., et al. (2022). Extensive sampling of Saccharomyces cerevisiae in Taiwan reveals ecology and evolution of predomesticated lineages. Genome Research. Peter, J., De Chiara, M., Friedrich, A. et al. (2018). Genome evolution across 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates. Nature, 556, 339–344. Duan, S. F., Han, P. J., Wang, Q. M. et al. (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat Commun, 9, 2690. White, C., & Zainasheff, J. (2010). Yeast: The Practical Guide to Beer Fermentation. Brewers Publications. Tsai, I. J., Bensasson, D., Burt, A., & Koufopanou, V. (2008). Population genomics of the wild yeast Saccharomyces paradoxus: Quantifying the life cycle. PNAS, 105(12), 4957–4962.
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本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。
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