Jak wynika z nowych badań opublikowanych w Nature Plants, Balanophora pozbyła się jednej trzeciej swoich genów w miarę ewolucji w usprawnioną roślinę pasożytniczą – co stanowi ekstremalny stopień kurczenia się genomu nawet wśród pasożytów. Po drodze ta subtropikalna roślina rozwinęła zdolność pobudzania rośliny żywicielskiej do wrastania w ciało pasożyta, tworząc chimeryczne narządy mieszające tkanki żywiciela i pasożyta.
Jeżeli w zakątku lasu natkniemy się na rośliny z rodziny Balanophoraceae, łatwo można je pomylić z grzybami rosnącymi wokół korzeni drzew. Ich grzybopodobne struktury są w rzeczywistości kwiatostanami złożonymi z drobnych kwiatów.
Jednak w przeciwieństwie do innych roślin pasożytniczych, które rozciągają haustorium do tkanki żywiciela w celu kradzieży składników odżywczych, Balanophora powoduje, że układ naczyniowy rośliny żywicielskiej wyrasta w bulwę, tworząc unikalny narząd podziemny z mieszaną tkanką żywiciel-pasożyt. Ta chimeryczna bulwa stanowi interfejs, w którym Balanophora kradnie składniki odżywcze z rośliny żywicielskiej.
Jednak to, w jaki sposób te subtropikalne, ekstremalnie pasożytnicze rośliny ewoluowały do swojej obecnej formy, wzbudziło zainteresowanie dr Xiaoli Chena, naukowca z BGI Research i głównego autora nowego badania opublikowanego w tym tygodniu w Nature Plants.
Doktor Chen i współpracownicy – w tym botanik z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej, dr Sean Graham – porównali genomy Balanophora i Sapria, innej skrajnie pasożytniczej rośliny z rodziny Rafflesiaceae, która ma zupełnie inny organizm wegetatywny.
Badanie wykazało, że Sapria i Balanophora utraciły odpowiednio 38% i 28% swoich genomów, ewoluując i przekształcając się w holopasożyty, co stanowi rekordowy spadek w przypadku roślin kwitnących.
„Skala podobnych, ale niezależnych strat genów zaobserwowanych u Balanophora i Sapria jest uderzająca” – stwierdził dr Chen. „Wskazuje to na bardzo silną zbieżność ewolucji genetycznej linii holopasożytów, pomimo ich zewnętrznej historii życia i wyglądu oraz pomimo tego, że wyewoluowały z różnych grup roślin fotosyntetycznych”.
Naukowcy odkryli niemal całkowitą utratę genów związanych z fotosyntezą zarówno u Balanophora, jak i Sapria, czego można było się spodziewać w przypadku utraty zdolności do fotosyntezy.
Jednak badanie ujawniło również utratę genów zaangażowanych w inne kluczowe procesy biologiczne – rozwój korzeni, wchłanianie azotu i regulację rozwoju kwitnienia. Pasożyty pozbyły się lub zagęściły dużą część rodzin genów normalnie występujących w roślinach zielonych – dużych zestawów zduplikowanych roślin genowych, które mają tendencję do pełnienia powiązanych funkcji biologicznych. Potwierdza to pogląd, że pasożyty zachowują tylko te geny lub kopie genów, które są niezbędne.
Co najbardziej zdumiewające, geny związane z syntezą głównego hormonu roślinnego, kwasu abscysynowego (ABA), który jest odpowiedzialny za reakcje roślin na stres i sygnalizację, zostały utracone równolegle u Balanophora i Sapria. Mimo to naukowcy nadal odnotowali akumulację hormonu ABA w kwitnących łodygach Balanophora i odkryli, że geny zaangażowane w odpowiedź na sygnalizację ABA są nadal zatrzymywane w pasożytach.
„Większość utraconych genów u Balanophora jest prawdopodobnie związana z funkcjami niezbędnymi w roślinach zielonych, które w przypadku pasożytów stały się funkcjonalnie niepotrzebne” – stwierdził dr Graham.
„To powiedziawszy, prawdopodobnie istnieją przypadki, w których utrata genu była faktycznie korzystna, a nie odzwierciedlała po prostu utratę funkcji. Dobrym przykładem może być utrata całego szlaku biosyntezy ABA. Może pomóc im w utrzymaniu fizjologicznej synchronizacji z gospodarzem Rośliny. Należy to przetestować w przyszłości.”
Dr Huan Liu, badacz z BGI Research, podkreślił znaczenie badania w kontekście 10KP – projektu mającego na celu sekwencjonowanie genomów 10 000 gatunków roślin.
„Badanie roślin pasożytniczych pogłębia naszą wiedzę na temat dramatycznych zmian genomicznych i złożonych interakcji między roślinami pasożytniczymi a ich żywicielami. Dane genomiczne dostarczają cennych informacji na temat ewolucji i mechanizmów genetycznych stojących za zależnością roślin pasożytniczych od żywicieli oraz tego, w jaki sposób manipulują one rośliny żywicielskie, aby przetrwać.”