Växters arvsmassa ger inblick i evolutionen

År 2000 presenterades DNA-sekvensen för växtbiologernas favoritstudieobjekt, ogräset backtrav. Elva år senare har närmare 30 växtarter fått sin arvsmassa kartlagd och projekt pågår för att sekvensbestämma fler, till exempel "1000 Plant Genome Project" som startade 2009.  

Vid sidan av backtrav har poppel, majs, ris och ett 20-tal andra angiospermer (en av fröväxternas två huvudgrupper) sekvensbestämts. Andra grupper av växter där DNA-sekvensen kartlagts är arter av alger, mossor och mosslummer. Dessa grupper av växter är särskilt intressanta ur evolutionär synvinkel eftersom de representerar viktiga steg i landväxternas evolution.  

Sekvensbestämningarna har visat att växtgenomen är förvånansvärt dynamiska och att de förändras mycket snabbare än djurens genom. Många växterarter har under historiens gång genomgått cykler där arvsmassan fördubblats, DNA gått förlorat och därefter fördubblats igen. Genom att jämföra backtrav med sin nyligen sekvenserade nära släkting strandtrav har det visat sig att backtrav förlorat 100 000-tals små DNA-sekvenser efter det att de två Arabidopsis-arterna delade på sig för cirka 10 miljoner år sedan.  

Chimär-DNA (bitar av olika gener som kopplats samman) uppstår relativt frekvent i växter och de så kallade transposonerna (hoppande genetiska element) är betydligt mer aktiva i växtgenom än i djur. Transposonerna omorganiserar arvsmassan genom att hoppa in och ut ur kromosomerna och ta med sig bitar av DNA som placeras på andra ställen i genomet. Forskare som studerat växtgenom har upptäckt 1000-tals exempel på förflyttningar där fragment av två eller flera gener har förts samman och till synes bildat gener med nya funktioner.  

När forskare jämfört genom från fiskar med primatgenom har man hittat konserverade områden i de delar av DNA som inte är proteinkodande gener. De områden som inte innehåller några gener är de delar av arvsmassan som förändras snabbast och här finns regioner som styr geners aktivitet. I växter däremot försvinner de konserverade områdena snabbt. Till och med olika majssorter kan skilja sig åt hela 20 % i de icke-proteinkodande regionerna. Det är mer än vad som skiljer schimpanser från människor.  

Den tyske forskaren Detlef Weigler beskriver dessa snabba och omfattande förändringar av växtgenomen som att ”plant practice genomic anarchy”.  

Den encelliga grönalgen Chlamydomonas reinhardtii är en av de allra tidigaste fotosyntetiserande organismerna och i dess genom har forskare upptäckt kärnan i en blomningsgen, som först identifierades i lejongap. I algen har genen dock en helt annan uppgift. Lejongapets blomningsgen är i algen inblandad i dess förmåga att känna av koppar. Man har även upptäckt att vissa gener som är inblandade i bildningen av blomfärg har sina motsvarigheter i alger och att väldigt få gener verkar sakna föregångare.  

Bryofyterna (t.ex. mossor) utvecklades för 450 miljoner år sedan och var en av de första växtgrupperna som koloniserade land. Sekvensbestämningen av muddermossan har visat att steget upp på land bland annat krävde nya gener för att överleva torra perioder och temperaturskiftningar och att detta resulterade i ett mer komplext genom. Sporbildande växter som mossor producerar inte frön, men muddermossan bär på gener som i andra växtarter kodar för proteiner som hjälper frön att överleva uttorkning. Forskarna drar slutsatsen att dessa föregångare till fröplantors gener måste ha sitt ursprung i de tidigaste landväxterna och var till för att skydda hela plantan under torra perioder. Andra forskare har visat att mossan har 80 % av de 100-tals gener som i backtrav styr utvecklingen från frö till planta. Detta indikerar att verktygslådan för mer komplexa växter fanns på plats redan långt innan angiospermerna utvecklades.  

I samband med att växter tog sig upp på land utvecklades ett kärlsystem av vävnader som leder vatten och näringsämnen. En grupp som tidigt utvecklade ett sådant system var lummerväxterna. De har ett kärlsystem, men producerar inga frön och anses utgöra ett mellansteg i växternas evolution. För ungefär 300 miljoner år sedan var lummerväxterna växtvärldens giganter och dominerade skogarna under karbontiden. Idag är lummerväxterna som inkluderar mosslummer och lummer betydligt mindre. Liksom mossan har mosslummern visat sig innehålla gener som man förväntar sig i mer komplexa organismer. De bär till exempel på gener och genfamiljer som man vet är viktiga vid vedbildning. Detta trots att mosslummer inte är en vedartad växt.  

I  jämförande studier av sekvenserade växtgenom fann forskare att 3814 genfamiljer är gemensamma för alla växter, från alger till druva. En jämförelse av alger och mossor med andra växter tyder på att förändringen av den reproduktiva strategin och övergången till växter med kärlsystem bara krävde cirka 516 genfamiljer och att utvecklingen av angiospermer fordrade ytterligare 1350 genfamiljer. Förflyttningen upp på land krävde de största förändringarna med 3006 nya genfamiljer.  

Det har blivit allt vanligare att sekvensbestämma olika varianter av redan sekvenserade arter. Inom ”The1001 Genomes Project” planerar man till exempel att sekvensbestämma 1001 varianter av backtrav. Detta för att få en bättre förståelse av hur variationen påverkar skillnader i egenskaper. Hittills har man sekvensbestämt 250 stycken. Andra forskare har valt att studera växter som Amborella för att få en mer fullständig bild av livets träd. Amborella är troligtvis en av de första nu levande blomväxterna.  

En grupp växter som skulle vara av intresse vid evolutionära studier är ormbunkar. Det skulle dock, trots dagens avancerade och effektiva sekvenseringsmetoder, vara en mycket stor uppgift. Ormbunkar kan nämligen ha upp till 1000 kromosomer.    


Marie Nyman
Källa: Science, Newsfocus 332:1372 (2011)    


Backtrav (Arabidopsis thaliana)
Foto:Jens Sundström

Protokoll

Från sammanträdet den 25 januari 2017.

Läs mer »