Posiadanie więcej niż dwóch kompletnych zestawów chromosomów może stanowić przeszkodę w długoterminowym przetrwaniu linii roślin, jednak naukowcy znajdują również dowody, że prawdopodobnie kryje się za ewolucyjną innowacją.
Nagłe dziedziczenie całych zestawów dodatkowych kopii genów może zwiększyć redundancję regularnych zestawów funkcji organizmu, w rzeczywistości umożliwiając niektórym z tych kopii ewolucję i ekspresję na zupełnie nowe sposoby.
W przypadku wschodnioazjatyckiej rośliny dzbanowej ta swoboda mutacji mogła nawet wpłynąć na jej zdolność do chwytania zdobyczy i zaspokajania apetytu na „mięso”.
To tylko jedno z odkryć nowego badania, w ramach którego sekwencjonowano genom Nepenthes gracilis, gatunku rośliny mięsożernej spokrewnionej z muchołówkami, a także rosiczkami, burakami i szpinakiem.
„Nasze odkrycia nie tylko dostarczają kluczowych informacji na temat krajobrazu adaptacyjnego genomu Nepenthes, ale także poszerzają naszą wiedzę na temat tego, w jaki sposób poliploidia – mająca wiele zestawów chromosomów – może stymulować ewolucję nowych funkcji” – mówi Victor Albert, doktor Empire Profesor innowacji na Wydziale Nauk Biologicznych Uniwersytetu w Buffalo w ramach College of Arts and Sciences.
Albert jest współautorem badania, które opublikowano w czwartek (23 listopada) w czasopiśmie Nature Plants, wraz z dr Kenjim Fukushimą z Uniwersytetu w Würzburgu w Niemczech. Inni autorzy z UB to dr Charlotte Lindqvist, profesor nauk biologicznych oraz doktorantki Emily Caroll i Michaela Richter.
Praca Alberta była częściowo wspierana przez National Science Foundation.
Recesywne subgenomy mają większą swobodę zmiany funkcji
Pomysł „roślin ludożernych” od dawna pobudza naszą makabryczną wyobraźnię. Rośliny dzbanowe wymagają jednak znacznie mniejszego posiłku.
Łapią owady za pomocą wysoce wyspecjalizowanych liści w kształcie dzbana. Dno ich dzbanów wypełnione jest płynami trawiennymi, które toną i ostatecznie rozkładają ofiarę. Proces ten uwalnia składniki odżywcze, takie jak azot i fosfor, które umożliwiają roślinom dzbanowym rozwój w siedliskach ubogich w składniki odżywcze.
„Mięsożerność roślin to coś w rodzaju polowania na nawóz” – mówi Albert.
W badaniu przeprowadzonym w 1992 roku Albert i współpracownicy odkryli, że azjatyckie, australijskie i amerykańskie rośliny dzbanowe mają podobne cechy, mimo że wyewoluowały niezależnie. Późniejsze badania opublikowane w 2017 roku wykazały, że każdy z tych gatunków przejął wiele tych samych starożytnych białek.
W ramach nowego badania zespoły Alberta i Fukushimy odkryły, że wyspecjalizowana pułapka dzbanowa azjatyckiej rośliny dzbanowej, czyli Nepenthes, mogła być wywoływana przez poliploidię. W linii rodowej Nepenthes wyewoluował już mięsożerność, więc zduplikowane genomy mogły po prostu zmodyfikować sposób wychwytywania.
Zespół odkrył, że Nepenthes ma dekaploidalny genom w stanie diploidalnym, co stanowi złożoną strukturę niemal niespotykaną u roślin kwitnących, która odzwierciedla posiadanie pięciu wielokrotności całego genomu, czyli „subgenomów”.
Zespół odkrył, że piąty subgenom jest „dominujący”, przechowujący więcej kopii genów i wyrażający je na wyższym poziomie niż pozostałe cztery starsze, „recesywne” subgenomy. Jednak to recesywne subgenomy – a nie dominujący – mogą zawierać więcej genów kluczowych dla wyspecjalizowanej mięsożerności Nepenthesa.
„Dominujący subgenom wykazuje większy wpływ presji doboru naturalnego na utrzymanie funkcji genów” – mówi Fukushima. „Podczas gdy subgenomy recesywne, na które zachowanie funkcji w mniejszym stopniu wpływa, stały się bardziej podatne na zmiany w czasie ewolucji”.
Niektóre z duplikatów genów mięsożerności Nepenthesa mogły pierwotnie wyewoluować w celu obrony przed tym, co ostatecznie stało się ich ofiarą. Na przykład enzymy pomagające Nepenthes rozkładać twarde egzoszkielety owadów zostały zastąpione enzymami, które pierwotnie chroniły rośliny przed zjedzeniem przez te zwierzęta.
„Ta linia Nepenthes nie wyewoluowała nowych genów, aby stać się mięsożernymi – przejęła kolekcje, czyli zestawy narzędzi, genów, które już tam były” – mówi Albert.
Jedna z hipotez sugeruje, że poliploidia ma znikomy wpływ na długoterminową ewolucję, ponieważ gatunki ze zwielokrotnionymi genomami mogą wymierać w większym tempie niż ludzie, którzy mają tylko dwa zestawy chromosomów. Jednak wyniki badania stanowią kolejny dowód na to, że starożytne zjawiska poliploidii mogą czasami leżeć u podstaw skoków ewolucyjnych, które nadal są widoczne wśród współczesnych roślin.
Znaleziono dowody na ewolucję odrębnych roślin męskich i żeńskich
Nepenthes należy do zaledwie 6% gatunków roślin kwitnących, które są dwupienne, co oznacza, że każda pojedyncza roślina wytwarza kwiaty męskie lub żeńskie. W rzeczywistości Nepenthes jest jedyną dwupienną rośliną mięsożerną.
Zespół Alberta i Fukushimy zidentyfikował także specyficzny dla mężczyzn region genomu, zawierający trzy geny potencjalnie odpowiedzialne za kontrolowanie różnic między płciami. Jeden z nich, zwany LEAFY, jest kluczowym genem ulegającym ekspresji na wczesnym etapie rozwoju kwiatów i pełniącym rolę głównego regulatora.
„Wygląda na to, że LEAFY miał zduplikowaną formę i przeniósł się do regionu chromosomu Y Nepenthes, a następnie zmienił swoje funkcje. Takie zastosowanie LEAFY jest jak dotąd bezprecedensowe w przypadku roślin kwitnących” – mówi Albert. „Gen LEAFY jest tak centralnym regulatorem u roślin kwitnących, że sztucznie dodany lub usunięty na drodze inżynierii genetycznej zmienia czas kwitnienia rośliny”.
„Chociaż mamy teraz dowody bioinformatyczne wskazujące, że LEAFY jest jednym z kluczowych genów zaangażowanych w mechanizm determinacji płci u Nepenthes, w rzeczywistości udowodnienie tego będzie wymagało dalszych badań na żywych roślinach” – dodaje.