Tilpasning af fotosyntesemekanismer i luftplanter sker gennem genduplikation, viser undersøgelsen

Forskere ved universitetet i Wien har sammen med samarbejdspartnere fra Frankrig, Tyskland, Schweiz og USA opnået et gennembrud i forståelsen af, hvordan genetiske drivkræfter påvirker udviklingen af ​​en specifik fotosyntesemekanisme i Tillandsia (luftplanter). Dette kaster lys over de komplekse handlinger, der forårsager plantetilpasning og økologisk mangfoldighed. Resultaterne af deres undersøgelse er offentliggjort i Plant Cell.

Nogle plantearter har udviklet en vandbesparende egenskab kaldet Crassulacean Acid Metabolism (CAM). CAM-planter som de fleste Tillandsia-arter - den mest artsrige slægt i ananasfamilien (Bromeliaceae) - optimerer deres vandforbrugseffektivitet:Mens andre planter normalt åbner deres stomata (små porer i deres blade) i løbet af dagen for at absorbere kuldioxid til fotosyntese , CAM-planter gør dette om natten og gemmer CO₂ væk til senere brug, hvilket hjælper dem med at overleve med mindre vand.

Denne egenskab udviklede sig uafhængigt flere gange på tværs af planteriget. Udviklingen af ​​det komplekse genetiske grundlag for CAM er dog forblevet uhåndgribelig, hvilket gør det til et fokus for forskning i evolutionær biologi.

Genregulering er nøglen

I denne undersøgelse fokuserede forskerholdet på et Tillandsia-artspar, der udviser divergerende former for fotosyntese - CAM vs. C3 - hvilket betyder, at C3-arten mangler den specialiserede tilpasning til tørre forhold. Ved at bruge avancerede teknikker til at studere planternes genetik og biokemi - f.eks. analyser af genarrangementer, molekylær- og genfamilieudvikling, temporal differentiel genekspression og metabolitter - opdagede de, at ændringer i genregulering hovedsageligt er ansvarlige for genomiske mekanismer, der driver CAM-evolution i Tillandsia.

Clara Groot Crego, Institut for Botanik og Biodiversitetsforskning ved Universitetet i Wien og hovedforfatter af undersøgelsen, forklarer:"Vores resultater afslører, at selvom store ændringer har påvirket Tillandsias genomer ligesom andre planter, sker justeringen af, hvordan fotosyntesen fungerer, hovedsageligt gennem hvordan gener reguleres - ikke ved at ændre de sekvenser, der koder for proteiner."

Nøgleindsigter fra undersøgelsen omfatter identifikation af CAM-relaterede genfamilier, der gennemgår accelereret ekspansion i CAM-arter. Dette fremhæver den kritiske rolle, genfamilie-evolution spiller i at skabe ny variation, der driver CAM-evolution.

Ind i nye nicher ved gentagen udvikling

"CAM har gentagne gange udviklet sig i forskellige Tillandsia-arter og har fremskyndet deres evne til at kolonisere nye økologiske nicher, der fungerer som en nøgledrivkraft for den voldsomme artsdannelse, der observeres inden for denne gruppe," siger Ovidiu Paun, Institut for Botanik og Biodiversitetsforskning ved Universitetet i Wien og rektor. efterforsker af undersøgelsen.

"Vores forskning fremhæver den potentielle betydning af genetisk innovation, ud over blot baseparændringer, for at drive økologisk diversificering," tilføjer Paun.

Thibault Leroy, hovedforsker fra INRAE ​​Toulouse, Frankrig, understreger, at denne undersøgelse har implikationer ud over grundlæggende videnskab. "Forståelse af, hvordan CAM udviklede sig, kan hjælpe med at udvikle strategier til at gøre afgrøder mere modstandsdygtige over for vandmangel og klare klimaændringer."

Forskningen vil blive udvidet på tværs af flere arter af denne og andre plantegrupper inden for rammerne af et nyligt samarbejdsprojekt.

Flere oplysninger: Clara Groot Crego et al., CAM-evolution er forbundet med genfamilieudvidelse i en eksplosiv bromeliastråling, The Plant Cell (2024). DOI:10.1093/plcell/koae130

Journaloplysninger: Plantecelle

Leveret af Universitetet i Wien