Dlaczego więzi między niektórymi roślinami a mikroorganizmami glebowymi „zniknęły”
Mutualizm to korzystne dla obu stron relacje ekologiczne między różnymi gatunkami, takimi jak ptaki poszukujące miodu i ludzie. Między roślinami lądowymi a mikroorganizmami glebowymi istnieje od dawna – prawdopodobnie od około 450 milionów lat – wzajemnie korzystna relacja, która pomaga roślinom w pobieraniu z gleby składników odżywczych, które w innym przypadku mogłyby być dla nich niedostępne. Wydaje się jednak, że niektóre grupy roślin utraciły tę pradawną więź. Przyczyny są nadal przedmiotem dyskusji, choć istnieje kilka hipotez. Na przykład ewolucja innych strategii pozyskiwania zasobów, takich jak drapieżnictwo i pasożytnictwo, jest silnie powiązana z zanikiem mutualizmu – wyjaśnia Matheus Bianconi(odnośnik otworzy się w nowym oknie), biolog ewolucyjny z Uniwersytetu w Tuluzie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Można to wyjaśnić rolą odżywczą, jaką symbiont pełni dla rośliny”, mówi badacz. „Gdy ta rola stanie się zbędna, rośliny mogą utracić zdolność do mutualizmu bez ponoszenia żadnych kosztów”. W ramach projektu SYMBIOLOSS, realizowanego przy wsparciu z działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Bianconi wraz ze współpracownikami badał powtarzające się zanikanie relacji mutualistycznych u roślin lądowych. Zespół starał się odkryć wzorce genetyczne, które mogłyby wyjaśnić, czy odejście od mutualizmu doprowadziło do zmian adaptacyjnych rekompensujących tę stratę.
Śledzenie historii wzajemnych relacji między roślinami a mikroorganizmami
W ramach projektu zastosowano podejście filogenomiczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w celu zidentyfikowania genów i mutacji odpowiedzialnych za badane cechy, analizując genomy setek gatunków roślin, które wykazują lub nie wykazują mutualizmu. Następnie badacze wykorzystali narzędzia statystyczne i filogenetyczne, aby zidentyfikować zmiany genetyczne, które korelują z występowaniem tego zjawiska u różnych gatunków. Po zidentyfikowaniu genów kandydujących porównali je z innymi zbiorami danych i wybrali najbardziej obiecujące z nich do weryfikacji w laboratorium. Prace te polegały na przykład na wyłączaniu lub nadmiernej aktywacji genów. „Nasz zespół z powodzeniem wykorzystał to podejście do zbadania genetycznych podstaw symbiozy u roślin”, zauważa Bianconi. „W tym projekcie zastosowaliśmy to samo podejście, ale na odwrót: skupiliśmy się na tym, co łączy gatunki nieżyjące w symbiozie”. Badacze spodziewali się, że podejście to pozwoli wykryć wspólne geny lub sieci związane ze zmianami adaptacyjnymi, które wyewoluowały niezależnie u organizmów niebędących mutualistami, a także zidentyfikować geny, które po zaniku mutualizmu zostały „przekształcone” i zyskały nową funkcję.
Odkrywanie zmian genetycznych
Wyniki badań sugerują, że zmiany genetyczne leżące u podstaw przejścia do trybu życia pozbawionego symbiozy są w rzeczywistości specyficzne dla poszczególnych linii ewolucyjnych, a porzucony przez nie mechanizm symbiotyczny mógł posłużyć jako punkt wyjścia do ewolucji nowych adaptacji. Zespół zbadał dokładnie tę hipotezę, wykorzystując wątrobniki. „Udało nam się zidentyfikować receptor błonowy, który wydaje się odgrywać istotną rolę w symbiozie i który wielokrotnie ulegał duplikacji u wątrobowców niebędących organizmami symbiotycznymi”, dodaje Bianconi. „Zidentyfikowaliśmy również gen, który może odgrywać rolę w metabolizmie składników odżywczych i który wyginął u gatunków roślin lądowych niebędących mutualistami, z wyjątkiem mchów i niektórych wątrobowców”. W obu przypadkach trwają badania laboratoryjne mające na celu potwierdzenie tych wyników. „Jeśli hipoteza się potwierdzi, będą to przykłady genów związanych z symbiozą, które zmieniły swoje przeznaczenie po zaniku wzajemnej korzyści”, zauważa Bianconi.
Bardziej szczegółowe badania nad zanikiem relacji mutualistycznych
Projekt wywołał szereg pytań, a badacze zamierzają powrócić do nich w przyszłości, zwłaszcza gdy pojawią się nowe zasoby genomowe dotyczące gatunków niebędących mutualistami. „Obecnie kilka grup roślin jest dobrze zbadanych, ale wiele z nich obejmuje tylko jeden lub kilka gatunków, co ogranicza możliwości analiz filogenomicznych”, mówi Bianconi. „Planujemy połączyć te dane z innymi rodzajami danych omicznych uzyskanych w kontrolowanych warunkach, aby uzyskać nowe spostrzeżenia”.
