Mechanizmy molekularne fuzji genomów rzucają światło na potencjał adaptacyjny bioróżnorodności
Proces fuzji genomów (hybrydyzacji) i ich podwojenia (poliploidii), w którym dochodzi do skojarzenia dwóch linii genetycznych, prowadzi do powstania roślin, zwanych allopoliploidalnymi, czyli mającymi dwa zestawy chromosomów, pochodzących od różnych gatunków. Te konfiguracje genetyczne, każda z osobną historią ewolucyjną, stanowiły szanse wyłonienia się innowacji ewolucyjnych z ogromnym wpływem na ekologię gatunków. Finansowany z funduszy unijnych projekt GENOMERGE miał na celu analizę konsekwencji ewolucyjnych wspomnianych kombinacji genetycznych na bioróżnorodność, a w szczególności - dotyczył tego, jak mechanizmy molekularne przyczyniają się do adaptacji. Projekt ogniskował się wokół ewolucji roślin okrytonasiennych (roślin kwiatowych), opierając się na badaniu trawy Spartina (porastającej mokradła słone) jako modelu. W ramach projektu GENOMERGE zidentyfikowano rolę allopoliploidii w powstaniu nowej ścieżki biochemicznej, która umożliwiła wytworzenie cząsteczki o domniemanym działaniu osmoprotekcyjnym (przeciwstresowym) (DMSP) o znacznym wpływie ekologicznym. Zespół dostarczył również danych o sekwencjonowaniu w trosce o rozszyfrowanie, jak allopoliploidia pomogła w szybkiej ekspansji inwazyjnego gatunku roślinnego trawy Spartina. Rola allopoliploidii w adaptacji roślin Wedle koordynator projektu GENOMERGE, dr Maliki Ainouche - "Badania fuzji genomów i poliploidii są istotne, gdyż te procesy szczególnie często występują u roślin. Rośliny kwiatowe są najbardziej zróżnicowaną grupą roślin lądowych, o liczbie gatunków sięgającej około 300 tysięcy, a omawiane procesy odegrały istotną rolę w ich zróżnicowaniu i adaptacji poprzez dobór naturalny (np. domestykację roślin) lub sztuczny." Podstawowy cel projektu GENOMERGE był dwojaki. Po pierwsze, chodziło o zrozumienie mechanizmów molekularnych uczestniczących w allopoliploidii poprzez charakterystykę natychmiastowej ewolucji podwojonych genów. Po drugie, celem były badania genów i funkcji potencjału adaptacyjnego za pomocą analizy ewolucji podwojonych genów w naturalnej allopoliploidii. Zespół badawczy ocenił ewolucję ekspresji genów w różnych gatunkach, rosnących w warunkach naturalnych za pośrednictwem „transkryptomiki” oraz Sekwencjonowania Nowej Generacji. Jak dr Ainouch wyjaśnia ponownie - „Przebadaliśmy wpływ hybrydyzacji lub/i podwojenia genomów (poliploidii), wykorzystując analizę porównawczą danych o sekwencjonowaniu RNA, uzyskanych ze świeżo utworzonych hybryd, allopoliploidów oraz gatunków macierzystych." Skoncentrowawszy się na funkcjach o korzyściach adaptacyjnych, zespół przede wszystkim poszukiwał genów, związanych z nowymi ścieżkami biochemicznymi lub cechami fenotypowymi, które mogłyby wyjaśnić inwazyjność rodzaju Spartina (członka rodziny traw). Uzyskane wyniki wydobywają fakt, że Spartina należy do nielicznych roślin kwiatowych, które potrafią wytwarzać cząsteczkę o istotnym wpływie ekologicznym: propionan siarczku dimetylu (DMSP). Jedną z funkcji tej cząsteczki jest jej domniemana osmoprotekcyjność, pozwalająca przetrwać organizmom ekstremalny stres osmotyczny, przykładowo - dzięki tolerancji względem zasolenia. Wytwarzanie cząsteczki DMSP obserwowano głównie u morskiego fitoplanktonu i jedynie bardzo rzadko u roślin kwiatowych lub zwierząt. Skutki ekologiczne o szerszym zasięgu Rodzaj Spartina obejmuje gatunki, odgrywające istotną rolę ekologiczną, które mają i tę właściwość, obok innych atrybutów, że są istotne w dynamice tworzenia osadów na słonych mokradłach. Na przykład, uważa się, że gatunki te w skuteczny sposób usuwają zanieczyszczenia z osadów. Wyniki projektu GENOMERGER przekładają się więc na szerokie spektrum działań od zarządzania lądem po ochronę biologiczną. Otrzymane rezultaty zapewne zainteresują także naukowców, zajmujących się zmianą klimatu, jak dodaje dr Ainouche - „Sama cząsteczka DMSP jest tak samo ważna dla środowiska, jak główny prekursor biogeniczny atmosferycznego siarczku dimetylu DMS, uczestniczącego w globalnym cyklu siarki, występującego w kwaśnych opadach oraz biorącego udział w regulacji klimatycznej.” Skoro już pokazano, w jaki sposób allopoliploidia do ewolucji ekspresji genów i innowacji biochemicznych, kolejnym krok badaczy GENOMERGE polega na precyzyjnej identyfikacji mechanizmów (np. regulacji ekspresji genów), które zachodzą w toku procesu. Jak dr Ainouche - „Zważywszy, że większość roślin uprawnych, takich jak pszenica, rzepak, bawełna czy kawa są allopoliploidami, badania przyczynią się do zrozumienia , w jaki sposób rośliny, również wykorzystywane w agronomii, mogą przystosować się do stresogennego środowiska.”
Słowa kluczowe
GENOMERGE, fuzja genomów, allopoliploidia, ewolucja, adaptacja, bioróżnorodność, DMSP, rośliny okrytonasienne, ekologia roślin, Sekwencjonowanie Nowej Generacji, stres osmotyczny, genetyka, cząsteczka o działaniu przeciwstresowym
