En undersøgelse skifter fra genetisk til metabolisk analyse til at rekonstituere evolutionær proces

Med 72 arter i øjeblikket identificeret, Espeletia er en planteslægt endemisk for paramo, et fugtigt alpinbiom, der er unikt for de nordlige Andesbjergene. Denne slægt, der lever i verdens mest mangfoldige økosystem i stor højde, er et fremragende eksempel på adaptiv succes.

I en ny undersøgelse, Brasilianske forskere undersøgte Espeletias mangfoldighed og geografiske fordeling i paramo; resultaterne, udgivet i august 2017 i Videnskabelige rapporter , tyder på, at forskere mere præcist kan rekonstruere hele speciationsprocessen via metabolomics.

Metabolomics er et studieområde med fokus på de kemiske stoffer syntetiseret af en levende organisme - et biprodukt af dets metabolisme - som bruges til at kortlægge kemiske forbindelser, der er iboende for en given art. For at gøre det, en kombination af teknikker, der involverer planteekstrakter, geografiske data, og multivariat statistik er påkrævet. Undersøgelser af denne art er normalt baseret på genomik, DNA -markøranalyse eller morfologiske sammenligninger.

Forskere ved University of Sao Paulo's School of Pharmaceutical Sciences (FCFRP-USP) i Brasilien har brugt metabolisk fingeraftryk for første gang til at forklare de evolutionære historier og biogeografiske egenskaber ved Espeletia.

"I bund og grund, vi tog de kemiske sammensætninger af arten Espeletia og deres metabolom og fandt en sammenhæng med deres geografiske oprindelse. Arter, der findes på de samme steder, viser lignende kemiske profiler. Det samme link var allerede fundet ved hjælp af molekylære markører, men i en større geografisk skala. Dette viser, at Andes geografi ikke kun bestemte udviklingen af ​​denne plantegruppe, og muligvis af andre plantegrupper i regionen, men også formet de kemiske sammensætninger af disse arter, sagde Federico Padilla, en af ​​forfatterne til artiklen.

Baseret på en undersøgelse støttet af Sao Paulo Research Foundation (FAPESP) gennem regelmæssigt forskningstilskud, artiklen bekræfter en hypotese om Espeletias oprindelse og migrationsruter langs de nordlige Andesbjerg foreslået af forskere ved US National Museum of Natural History, en del af Smithsonian Institution, i 1990'erne, som hidtil delvist blev understøttet af molekylære markører.

Ifølge denne hypotese, den oprindelige bestand af Espeletia diversificerede sig, da den første population af slægten begyndte at ekspandere i to retninger fra den vestlige del af Cordillera de Merida, det største massiv i Venezuela. En gren bevægede sig langs de venezuelanske Andesbjergene, mens den anden bevægede sig vest og sydvest langs de colombianske Andesbjergene og ind i det nordlige Ecuador.

"Historisk set denne form for analyse har været baseret på molekylære markører. Imidlertid, genetisk analyse er ikke i stand til at bestemme specifikke biogeografiske tendenser med tilfredsstillende præcision i grupper, der har udviklet sig for nylig, såsom slægten Espeletia, som den blot identificerer to grupper for, den venezuelanske og colombianske art, "Sagde Padilla.

Metabolits datapunkt evolutionær tilpasning

Smithsonian -hypotesen blev bekræftet ved en analyse af de sekundære metabolitter (dvs. de kemiske forbindelser, der er involveret i planternes tilpasninger til økosystemet), som pegede på mønstre for geografisk fordeling og kemisk diversificering i de andinske paramos.

"Hver slags markør har fordele og ulemper, "sagde professor Fernando Batista da Costa, Padillas vejleder og medforfatter af artiklen offentliggjort i Videnskabelige rapporter . "I modsætning til dyr, planter kan ikke bevæge sig for at tilpasse sig dette eller det miljø. I stedet, de producerer en lang række kemiske forbindelser, der hjælper dem med at tilpasse sig det sted, hvor de vokser. "

Andenes robuste topografi gør paramo til et stærkt fragmenteret biom, biologisk og geografisk sammenlignelig med en skærgård, hvor "øer" med åbent græsarealer er adskilt af tætte skove eller dybe dale, der forhindrer plantearter i at kommunikere med andre paramoer.

Ifølge artiklen, denne geografiske isolation er en særlig indflydelsesrig faktor for arter med begrænset frøspredning og mangel på lange afstandsbestøvere, som tilfældet er for Espeletia.

"Vi beviser, at deres isolation begunstigede allopatrisk speciering, hvilket betyder speciering, der forekommer i separate regioner på grund af geografiske barrierer. Darwin foreslog denne form for speciering i sin evolutionsteori som et resultat af hans observationer i Galapagos -skærgården. Han så der, at forskellige øer havde forskellige arter, og at disse arter var i familie med hinanden, "Sagde Batista da Costa.

Forskernes analyser af de kemiske sammensætninger viste, at arter af Espeletia i forskellige paramos ikke kun adskiller sig genetisk og morfologisk, men også kemisk.

"I hvert parameter, de fleste arter akkumulerer forskellige kemiske forbindelser, der muligvis kan knyttes til deres tilpasning til det pågældende geografiske område, "Sagde Padilla." Vi demonstrerer, ved hjælp af kemiske beviser, at allopatrisk speciering forekom i disse paramos og grupper af arter, som det var blevet foreslået i 1990'erne. "

Anvendelse af metabolomics på andre områder

Ifølge forskerne, denne fremgangsmåde kan bruges til at studere praktisk talt alle plantens metabolitter på samme tid.

"I klassisk fytokemi, vi studerede en plante ad gangen og identificerede normalt et par kemiske stoffer, "Sagde Padilla." Med de nye teknikker og udstyr, såsom væskekromatografi kombineret med massespektrometri, som vi brugte, vi kan nu samle 100 eller flere planteekstrakter, analysere dem alle på samme tid, og få en datamatrix, der potentielt repræsenterer mere end 1, 000 kemiske forbindelser. "

Forskerne understreger, at analoge modeller kan bruges til at opnå metaboliske fingeraftryk til andre planter med det formål at analysere deres biogeografiske og evolutionære historier. "Denne nye model kan bruges i landbruget, eller til lægeplanter eller endda af politiet, for eksempel, at identificere oprindelsen af ​​marihuana, der forbruges i en bestemt region, "sagde Batista.