Με «Μειωμένο» DNA, τα ανθισμένα φυτά κατέλαβαν τον κόσμο

Όταν οι άνθρωποι εξετάζουν εξελικτικά γεγονότα που σχετίζονται με την προέλευση και τη διαφοροποίηση νέων ειδών και ομάδων, τείνουν να δίνουν έμφαση στις νέες προσαρμογές — συγκεκριμένα γονίδια που δημιουργούν νέα, ευεργετικά χαρακτηριστικά. Ωστόσο, ένας αυξανόμενος όγκος ερευνών υποδηλώνει ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτός ο αποφασιστικός παράγοντας μπορεί να είναι κάτι πολύ πιο θεμελιώδες:το μέγεθος. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο PLOS Biology , ένα ζευγάρι ερευνητών που μελετούν τα αγγειόσπερμα ή τα ανθοφόρα φυτά, έχουν ονομάσει το μέγεθος του γονιδιώματος ως τον περιοριστικό περιορισμό στην εξέλιξή τους.

Η επιτυχία των ανθοφόρων φυτών, μιας ομάδας που περιλαμβάνει τα πάντα, από ορχιδέες και τουλίπες μέχρι χόρτα και σιτάρι, αντιπροσωπεύει ένα μακροχρόνιο παζλ για τους βιολόγους. (Σε μια επιστολή του 1879 προς τον διάσημο βοτανολόγο Τζόζεφ Ντάλτον Χούκερ, ο Κάρολος Δαρβίνος το αποκάλεσε «αποτρόπαιο μυστήριο».) Τα χερσαία φυτά εμφανίστηκαν για πρώτη φορά σχεδόν μισό δισεκατομμύριο χρόνια πριν, αλλά τα ανθοφόρα φυτά εμφανίστηκαν μόνο τα τελευταία 100 εκατομμύρια χρόνια, ξεκινώντας από το Κρητιδική περίοδος. Ωστόσο, μόλις εμφανίστηκαν τα αγγειόσπερμα, η δομική και λειτουργική τους ποικιλομορφία εξερράγη — ξεπερνώντας κατά πολύ τη διαφοροποίηση και την εξάπλωση των άλλων μεγάλων ομάδων φυτών, των γυμνόσπερμων (συμπεριλαμβανομένων των κωνοφόρων) και των φτερών.

Σήμερα, τα 350.000 είδη ανθοφόρων φυτών, που έχουν ευδοκιμήσει στη συντριπτική πλειονότητα των περιβαλλόντων στη Γη, αποτελούν το 90 τοις εκατό όλων των φυτών στη γη. Από την εποχή του Δαρβίνου, οι βιολόγοι που επιδιώκουν την απάντηση σε αυτό το αποτρόπαιο μυστήριο προσπάθησαν να εξηγήσουν πώς τα ανθοφόρα φυτά θα μπορούσαν ενδεχομένως να έχουν επιτύχει αυτό το επίπεδο κυριαρχίας σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα.

Ίσως η απάντηση να ήταν τόσο άπιαστη επειδή αυτοί οι επιστήμονες έχουν συνήθως επικεντρωθεί στα φυσιολογικά χαρακτηριστικά που ξεχωρίζουν τα αγγειόσπερμα από τους συγγενείς τους. Στο PLOS Biology Ωστόσο, ο Kevin Simonin, φυτοβιολόγος στο κρατικό πανεπιστήμιο του Σαν Φρανσίσκο, και ο Adam Roddy, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο Yale, υποστηρίζουν ότι τα μεγέθη του γονιδιώματος που κρύβονται πίσω από αυτές τις ατομικές προσαρμογές είναι πραγματικά σημαντικά.

Τα πλεονεκτήματα της μείωσης του γονιδιώματος

Τα είδη αποκλίνουν σε μεγάλο βαθμό ως προς το μέγεθος του γονιδιώματος, χωρίς σεβασμό στην πολυπλοκότητα των οργανισμών. Σε ένα παράδειγμα που αναφέρεται συχνά, το κρεμμύδι έχει πέντε φορές περισσότερο DNA από τους ανθρώπους. Στη νέα μελέτη, οι Simonin και Roddy απέδειξαν τι σημαίνει αυτή η μεταβλητότητα στο μέγεθος του γονιδιώματος για μεγάλης κλίμακας βιοποικιλότητα. Συγκέντρωσαν τεράστιες ποσότητες δεδομένων σχετικά με το μέγεθος του γονιδιώματος, το μέγεθος των κυττάρων, την πυκνότητα των κυττάρων και τον ρυθμό φωτοσύνθεσης για εκατοντάδες αγγειόσπερμα, φτέρες και γυμνόσπερμα και στη συνέχεια εντόπισαν τις συσχετίσεις μεταξύ αυτών των χαρακτηριστικών στο παρελθόν για να δημιουργήσουν μια συνεκτική εξελικτική αφήγηση.

Η εμφάνιση των αγγειόσπερμων σημαδεύτηκε από πολλά γεγονότα στα οποία οι γενεαλογίες των φυτών αντιγράφουν ολόκληρο το γονιδίωμά τους. Αυτή η διαδικασία άνοιξε μια πόρτα για μεγαλύτερη διαφοροποίηση, επειδή τα επιπλέον αντίγραφα των γονιδίων θα μπορούσαν να εξελιχθούν και να αναλάβουν νέες λειτουργίες. Αλλά επειδή η μεταφορά τόσο πολύ γενετικού υλικού μπορεί επίσης να είναι φυσιολογικά επιβαρυντική, η φυσική επιλογή συνήθως ακολουθούσε αυτά τα γεγονότα διπλασιασμού κλαδεύοντας επιθετικά τις περιττές αλληλουχίες. Αυτή η «μείωση του μεγέθους του γονιδιώματος» συχνά άφηνε τα ανθοφόρα φυτά με λιγότερο DNA από το μητρικό τους είδος. Στην πραγματικότητα, ακολουθώντας τα γενεαλογικά δέντρα των ανθοφόρων φυτών πίσω στη βάση τους, οι ερευνητές έχουν καθορίσει ότι τα πρώτα αγγειόσπερμα είχαν μικρά γονιδιώματα. "Γνωρίζουμε τώρα ότι αυτό όχι μόνο συνέβαλε στην ποικιλομορφία τους, αλλά μπορεί να έδωσε στα αγγειόσπερμα το μεταβολικό πλεονέκτημα να ξεπεράσουν τις άλλες ομάδες φυτών", είπε ο Simonin.

Ο ίδιος και ο Roddy υπέθεσαν ότι τα μικρά γονιδιώματα των αγγειόσπερμων προκαλούν μια σειρά επιδράσεων που με την πάροδο του χρόνου ρέουν από τη φυσιολογία τους στη δομή τους και τελικά στον οικολογικό τους ρόλο. Λιγότερο DNA επέτρεψε στα ανθοφόρα φυτά να χτίσουν τα φύλλα τους από μικρότερα κύτταρα, κάτι που με τη σειρά του επέτρεψε να συσκευάσουν περισσότερους από ορισμένους τύπους κυττάρων στον ίδιο όγκο. Θα μπορούσαν επομένως να έχουν υψηλότερη πυκνότητα στομάτων - τους πόρους που διευκολύνουν την πρόσληψη διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα και την απελευθέρωση υδρατμών - και μια υψηλότερη πυκνότητα φλεβών για να παρέχουν αρκετό νερό για να κρατήσουν αυτούς τους πόρους ανοιχτούς. Και τα ανθοφόρα φυτά δεν χρειάστηκε να θυσιάσουν υψηλή πυκνότητα φωτοσυνθετικών κυττάρων για να επιτύχουν αυτά τα οφέλη.

Ως αποτέλεσμα, τα ανθοφόρα φυτά θα μπορούσαν να μετατρέψουν το ηλιακό φως σε σάκχαρα μέσω της φωτοσύνθεσης πολύ πιο αποτελεσματικά. Η άνοδος της ανώτερης ικανότητάς τους για ενυδάτωση και ανταλλαγή αερίων συνέπεσε επίσης με την πτώση των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας κατά την Κρητιδική περίοδο, γεγονός που συνέβαλε περαιτέρω στο ανταγωνιστικό πλεονέκτημα των αγγειόσπερμων έναντι των συνομηλίκων τους στα πράσινα φυτά. Σύμφωνα με τους Simonin και Roddy, τα φυλογενετικά στοιχεία δείχνουν ότι αλλαγές στο μέγεθος του γονιδιώματος και στα σχετικά φυσιολογικά χαρακτηριστικά συνέβησαν μαζί.

Αν και τα γονιδιώματα των ανθοφόρων φυτών είναι μικρά, η μείωση του μεγέθους δεν το έκανε υποχρεωτικό. Αντίθετα, επέκτεινε το εύρος των μεγεθών κυττάρων και γονιδιώματος που ήταν διαθέσιμα στα φυτά. Τα αγγειόσπερμα παρουσιάζουν μια τεράστια, σχεδόν 2.400 φορές διαφορά μεταξύ του μικρότερου και του μεγαλύτερου γονιδιώματός τους, δήλωσε ο Ilia Leitch, εξελικτικός βιολόγος στους Βασιλικούς Βοτανικούς Κήπους, Kew, στην Αγγλία. Συγκριτικά, πρόσθεσε, οι φτέρες έχουν 196 φορές διαφορά και τα γυμνόσπερμα 16 φορές. Το μεγαλύτερο εύρος των ανθοφόρων φυτών «σημαίνει ότι μπορούν να προσαρμόσουν καλύτερα τη φυσιολογία τους με το περιβάλλον και ενδεχομένως να ζουν σε πιο διαφορετικούς οικοτόπους σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες», είπε ο Roddy. Αυτή η μεγαλύτερη υπόσχεση προσαρμοστικότητας σημαίνει ότι το μέγεθος του γονιδιώματος μπορεί επίσης να συμβάλει στην ανταπόκριση των ανθοφόρων φυτών σε κάτι όπως η κλιματική αλλαγή.

«Υποδηλώνει ότι η ικανότητα των ανθοφόρων φυτών να έχουν πιο δυναμικά γονιδιώματα τοποθετεί τα αγγειόσπερμα σε ένα μέρος όπου έχουν την εξελικτική ευελιξία και ικανότητα να ξεπεράσουν τα όρια που φαίνεται να περιορίζουν άλλες γενεαλογίες όπως τα γυμνόσπερμα και οι φτέρες», είπε ο Michael Barker. ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα σε ένα είδος αγγειόσπερμου, η πλαστικότητα στην περιβαλλοντική απόκριση που παρέχεται από μικρά γονιδιώματα θα μπορούσε επίσης να καθορίσει εάν ένα φυτό γίνεται επεμβατικό.

Οι Simonin, Roddy και άλλοι ελπίζουν να μάθουν περισσότερα για το πώς το μέγεθος του γονιδιώματος επηρεάζει τη φυσιολογική και εξελικτική επιτυχία:ποια μέρη του DNA ενός είδους χάνονται κατά τη μείωση του μεγέθους του γονιδιώματος, γιατί τα αγγειόσπερμα είναι τόσο προδιατεθειμένα να ελαχιστοποιήσουν το γονιδίωμά τους ενώ άλλα είδη φυτών όχι. και ποια πλεονεκτήματα μπορούν να αποδοθούν απευθείας στο μέγεθος του γονιδιώματος σε αντίθεση με άλλους παράγοντες. Μόλις οι επιστήμονες αποκτήσουν καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού, είπε ο Peter Franks, φυτοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ, ίσως είναι δυνατό να κατασκευαστούν πιο παραγωγικές καλλιέργειες.

Μικρότερα κύτταρα για σύνθετους εγκεφάλους;

Αλλά το πιο συναρπαστικό πράγμα σχετικά με την ανακάλυψη του αγγειόσπερμου μπορεί να είναι ότι δείχνει προς αυτό που ο Roddy αποκαλεί μια «θεμελιώδη βιοφυσική αρχή» που μπορεί να είναι σχετική σε περισσότερα από ένα βασίλεια της ζωής. Εξάλλου, το μέγεθος του γονιδιώματος καθώς επηρεάζει το μέγεθος των κυττάρων δεν αποτελεί περιορισμό μόνο για τα φυτά.

Τα περισσότερα είδη πτηνών, για παράδειγμα, έχουν σχετικά μικρά γονιδιώματα, γεγονός που έχει συνδεθεί με τη συνολική επιτυχία τους. Οι υψηλοί μεταβολικοί ρυθμοί που χρειάζονται για να παράγουν ενέργεια για πτήση διευκολύνονται από μικρότερα αιμοσφαίρια που μπορούν να μεταφέρουν οξυγόνο πιο αποτελεσματικά - και αυτά τα μικρότερα αιμοσφαίρια (τα οποία, σε αντίθεση με τα θηλαστικά, έχουν πυρήνες) έγιναν επίσης δυνατά μέσω της μείωσης του προγονικού τους γονιδιώματος . Σύμφωνα με τον T. Ryan Gregory, έναν εξελικτικό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Guelph στον Καναδά, γι' αυτό τα κολίβρια έχουν το μικρότερο γονιδίωμα από οποιοδήποτε άλλο πουλί και τα πουλιά που δεν πετούν έχουν το μεγαλύτερο. Ακριβώς όπως τα φυλογενετικά στοιχεία έδειχναν ότι τα αγγειόσπερμα είχαν εμφανιστεί με μικρά γονιδιώματα που στη συνέχεια συνέχισαν να γίνονται μικρότερα, ο Γρηγόρης βρήκε απολιθωμένα στοιχεία μείωσης του μεγέθους του γονιδιώματος στον κλάδο των δεινοσαύρων που πιστεύεται ότι οδήγησε σε πτηνά, τα οποία στη συνέχεια συνεχίστηκαν καθώς τα μεταγενέστερα είδη επένδυσαν περισσότερα στην ικανότητα πτήσης τους.

Ο Γκρέγκορι μελετά επί του παρόντος την επίδραση του μεγέθους του γονιδιώματος στην πολυπλοκότητα του εγκεφάλου:Τα μικρότερα γονιδιώματα μεταφράζονται σε μικρότερους νευρώνες, που επιτρέπουν στον εγκέφαλο να χωρέσει περισσότερα κύτταρα και συνδέσεις, είπε. Αυτή η παράμετρος μπορεί να έπαιξε κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη πιο πολύπλοκων εγκεφάλων σε σπονδυλωτά με την πάροδο του χρόνου. Και ακόμη και σε οργανισμούς με πραγματικά πολύπλοκους εγκεφάλους, δηλαδή σε θηλαστικά και πτηνά, «οι άλλοι περιορισμοί που οδήγησαν σε μικρά γονιδιώματα, κυρίως το μέγεθος των ερυθρών αιμοσφαιρίων, θα μπορούσαν επίσης να θέσουν το υπόβαθρο για αυξημένη πολυπλοκότητα του εγκεφάλου», είπε ο Gregory. /P>