Hvordan græsser som hvede kan vokse i kulden

En ny, storstilet analyse af forholdet mellem medlemmer af den største underfamilie af græsser, som omfatter hvede og byg, afslører gen-duplikationshændelser, der bidrog til planternes tilpasning til køligere temperaturer. Disse tilpasninger gjorde det muligt for græsserne at trives i tempererede klimaer og er blevet udnyttet af mennesker til at udvide rækkevidden og sæsonen for dyrkning af vigtige afgrødeplanter. Et papir, der beskriver undersøgelsen, ledet af Penn State-forskere, vises online i tidsskriftet Molecular Biology and Evolution .

"Græsser er den femtestørste familie af planter med over 11.000 arter," sagde Hong Ma, Dorothy Foehr Huck og J. Lloyd Huck, formand for Plant Reproductive Development and Evolution og professor i biologi ved Penn State og lederen af ​​forskerholdet. "De vokser naturligt på alle syv kontinenter, inklusive en af ​​to oprindelige blomstrende planter på Antarktis. Mange medlemmer af den største underfamilie af græsser, kendt som Pooideae, har tilpasset sig til at vokse i tempererede miljøer. For at undersøge potentielle faktorer, der førte til denne kølige tilpasning , udførte vi en analyse af Pooideae-slægtstræet ved hjælp af et stort sæt nukleare gener."

Forskerholdet sammenlignede transkriptomer - DNA-sekvenser af alle generne udtrykt af en organisme - fra 157 Pooideae-arter, der dækker næsten alle de vigtigste underafdelinger inden for underfamilien.

"Denne gruppe af græs begyndte at udvide sig for omkring 50 millioner år siden, da Jorden var i en afkølingsperiode," sagde Ma. "Jorden var meget varmere dengang, men planterne og dyrene var også meget forskellige. Disse græsser var i stand til at blomstre, fordi de kunne tilpasse sig det skiftende miljø. Alle de store underafdelinger inden for underfamilien - kaldet stammer - blev etableret i første del af denne afkølingsperiode. Senere skete der endnu en stor udvidelse, som førte til stor diversificering på artsniveau. Nutidens succes for denne underfamilie på omkring 4.000 arter, nød godt af dens evne til at tilpasse sig, når Jorden var ved at køle af."

Hvordan var disse græsser i stand til at tilpasse sig så godt til det skiftende miljø? De udviklede træk, der var bedre egnet til koldere temperaturer, herunder blomster med forskellige former og størrelser, kuldeafhængig blomstring og molekylære tilpasninger, der reducerer cellulær frysning. Alle disse ændringer er afhængige af genetisk innovation.

En vigtig kilde til genetisk innovation er genduplikation. Genduplikation kan forekomme, når fejl under genomreplikation eller rekombination resulterer i ekstra kopier af gener. Disse ekstra kopier er ofte funktionelt overflødige i forhold til de originale kopier af genet og kan derfor tolerere mutationer mere frit. Ofte er de muteret til det punkt, at de mister deres funktion sammen, men nogle gange kan disse mutationer føre til funktionelle innovationer.

"Vores undersøgelse af forholdet mellem arterne i denne underfamilie af græs tillod os at spore adaptive ændringer i forhold til geologiske og klimaændringer," sagde Ma. "Det gjorde det også muligt for os at identificere genduplikationer, der opstod over tid og understøttede sandsynligvis denne tilpasning."

Et eksempel på genduplikation, som sandsynligvis hjalp med den kolde tilpasning af disse græsser, er CBF-gener. Molekylære undersøgelser har vist en rolle for CBF og relaterede gener i en plantes evne til at tolerere frysning. Forskerne viser, at de tidligste medlemmer af Pooideae-underfamilien sandsynligvis havde tre kopier af disse gener. Moderne byg har 20, og hvede har 37. Et andet eksempel er AP1/FUL-generne, som er involveret i vernalisering - planters evne til at klare sæsonbestemte ændringer og lange, kolde vintre og har oplevet lignende duplikationer i Pooideae.

"Vi kan spore, hvornår disse duplikeringsbegivenheder fandt sted i Pooideae-slægtstræet og associere dem med miljøændringer for bedre at forstå processen med kuldetilpasning i disse græsser," sagde Ma. "Da vi nu oplever endnu en periode med globale miljøændringer, kan det være vigtigere end nogensinde at forstå, hvordan planter tilpasser sig denne form for forandring."