Genetisk modifiering i naturen

När DNA överförs mellan obesläktade eller avlägset besläktade arter kallas det horisontell genöverföring. Den här typen av genöverföring är ett välkänt fenomen bland encelliga organismer som bakterier och har länge setts som en viktig process i bakteriernas evolution.

I och med den snabba utveckling av tekniker för att analysera DNA kan man idag bestämma sekvensen av en arts hela genom relativt enkelt, snabbt och billigt. DNA-sekvenserna laddas sedan upp digitalt i stora databaser. Där kan forskare gå in och jämföra DNA från olika arter. Det har då visat sig att överföring av DNA mellan helt obesläktade arter är betydligt vanligare än man tidigare trott. Sedan Darwins tid har mycket av evolutionsteorin baserats på det naturliga urvalet. Att också foga in gener från andra arter i sitt genom kan ge en konkurrensfördel.

De första landlevande växterna ”stal” gener från bakterier

En gelatinös klump på en våt sten ledde till upptäckten att jordbakterier troligtvis hjälpte växterna att erövra land. En tysk fykolog (algexpert) stötte 2006 på en ovanlig alg. Det visade sig att algen upptäckts i Frankrike 1845, men aldrig beskrivits vetenskapligt. Algen fick namnet Spirogloea muscicola.

Den tyske forskaren med samarbetspartners identifierade 902 gener som Spirogloea muscicola och en nära släkting till den delade med landlevande växter, men som saknades i andra alger. Det rörde sig bland annat om gener som gör att algerna kan klara av uttorkning och andra stressfaktorer.

De första växterna på jorden var vattenlevande alger. För att överleva på land krävdes helt nya egenskaper. Den tyske forskaren med samarbetspartners visade att dessa egenskaper troligtvis ”stulits” från en helt annan art, en jordbakterie som varit landlevande i miljarder år.

Valnöt, wasabi, trädgårdsnejlika och sötpotatis

Forskare har visat att DNA från en jordbakterie finns i så väl odlade som vilda växter. Bland de arter som naturligt modifierats finns humle, valnöt, wasabi, jordnöt, trädgårdsnejlika, amerikanskt tranbär, vitblära, gulsporre och flera arter av tobak.

Bild på valnötter, Juglans regia.
Valnöt, Juglans regia.

När DNA:t hos 291 sorter av sötpotatis analyserades visade det sig att det innehåller flera fungerande gener från bakterier. Bakterie-DNA:t i sötpotatisen är uppdelat i två stora sekvenser. Den ena DNA-sekvensen innehåller fyra bakteriegener och den andra fem. Den ena av dessa sekvenser är placerad mitt i en sötpotatisgen, en gen som troligtvis fungerade innan bakterie-DNA:t blev en del av sötpotatisens genom och inaktiverade den.

Att alla undersökta sötpotatissorter innehåller aktiva bakteriegener skulle kunna betyda att en eller flera av dessa gener gett sötpotatisen egenskaper som var fördelaktiga sett ur människans perspektiv. Det skulle i sin tur kunna innebära att människan under domesticeringen valde ut just de vilda föregångare till sötpotatisen som modifierats med bakteriegener.

Ormbunkar

De flesta växter känner av och växer mot blått ljus, men när ljuset filtreras genom det bladverk ormbunkar lever under innehåller ljusspektrat mer rött. Ormbunkars förmåga att blomstra i svagt ljus har kopplats till utvecklingen av en ny gen. Genen kallas neokrom och har uppstått genom att två gener fuserat och blivit till en. Ursprungligen producerade den ena genen ett protein som känner av blått ljus och den andra ett protein som känner av rött. Forskarna tror att neokrom-genen spelat en betydande roll när det gäller utvecklingen av ormbukars mångfald. Neokrom-genen i ormbunke är en horisontellt överförd gen från nålfruktsmossa.

Olika gräsarter

Gräset Alloteropsis semialata har visat sig ha 59 främmande gener i sitt genom, gener som härstammar från minst nio olika arter. De flesta av de horisontellt överförda generna är aktiva och har gett gräset nya egenskaper. Aktiva horisontellt överförda gener har även hittats i fem andra arter av gräs. En av forskarna som studerat horisontell genöverföring i gräs uttrycker det på följande sätt: ”Grasses are simply stealing genes and taking an evolutionary shortcut.”

På gräsmarkerna på Ölands alvar finns många olika livsmiljöer, bland annat varierar jordmånen från vått till torrt och från lågt till högt pH-värde. Även höjden på vegetationen varierar. Fårsvingel är ett gräs som är vida spridd i alla dessa miljöer.

I fårsvingelns genom finns en gen som är viktigt för växtens ämnesomsättning. Genen finns i alla fårsvingelplantor, men vissa individer har en extra kopia av genen som de, via horisontell genöverföring antagligen fått från ett gräs ur släktet gröe. Den extra genkopian medverkar troligtvis till att fårsvingeln kunnat anpassa sig till så många olika livsmiljöer.

Fruktflugor, rundmaskar och primater

Forskare har undersökt genomet hos djur som fruktflugor, rundmaskar och olika arter av primater som människa, schimpans och gorilla. I samtliga av de 40 undersökta arternas genom fanns gener från andra arter. Främst gener från bakterier, andra encelliga organismer och virus. Många av dessa gener kodar för enzymer som är inblandade i till exempel ämnesomsättningen och immunförsvaret.

Ullusen lever i symbios med bakterier

Ullusen lever enbart av växtsafter, en diet som leder till brist på essentiella aminosyror. Det som gör att ullusen trots allt lever och frodas är att den lever i symbios med två bakteriearter, Tremblaya priceps och Moranella endobia. Den ena bakteriearten, Moranella, lever i Tremblaya som i sin tur lever i ullusen. Tillsammans bidrar de två bakteriearterna till att de aminosyror som lusen behöver för sin överlevnad produceras.

Bild på ullusen Planococcus citri.
Ullus, Planococcus citri. Foto: Martin Lagerwey. CC BY-NC-SA 2.0

Tremblaya har ett väldigt litet genom och saknar många livsviktiga gener, ändå överlever den på något vis. Det har visat sig bero på att ullusen har gener från minst tre andra bakteriearter i sitt genom. Så även om det idag bara är tre arter som lever i symbios är det genetiskt material från sex arter som får symbiosen att fungera.

Tremblaya-bakterier som lever i en annan art av ullus klarar sig utan det symbiotiska förhållandet med Moranella. När dessa bakteriers genom studerades visade det sig att de har 50 fler gener än de som lever i symbios med Moranella. Bland annat gener som gör att den kan producera essentiella aminosyror utan hjälp av Moranella.

Hoppande element skapar variation

Ingen variation – ingen evolution. Transposoner kan skapa variation. De hoppar runt i genomet och hamnar de till exempel mitt i en gen kan genen slås eller uttrycket från genen förändras.

Vissa egenskaper som modifierats av de hoppande DNA-elementen har vi människor bevarat. Blodapelsinen uppstod till exempel genom att en transposon placerade sig intill en Ruby-genen som aktiverar produktionen av rött pigment. För att det röda pigmentet ska bildas krävs både sol och kyla under mognadsprocessen. Den enda tillförlitliga platsen att odla blodapelsiner är kring vulkanen Etna på Sicilien där odlingsförhållandena är idealiska. Ruby-genen finns även i de gula apelsinerna men där är den inaktiv. De olika färgerna på prydnadsväxten Blomman för dagen beror nästan uteslutande på transposoner, liksom den ovala formen på vissa tomatsorter.

I 26 av de 40 växtarter som analyserades hittade forskare transposoner från andra arter och det rörde sig inte bara om överföring av DNA mellan närbesläktade arter. Forskarna visade att genetiskt material har överförts från till exempel tomat till böna och från poppel till persika. Den forskare som upptäckte de hoppande elementen var Barbara McClintock. Hon studerade färgen på olika majskorn. För sin upptäckt tilldelades hon nobelpriset i fysiologi eller medicin 1983.

Foto av Barbara McClintock, 1902-1992, i hennes laboratoium.
Barbara McClintock, 1902-1992, i sitt laboratorium.

Referenser

Visa referenslista Dölj referenslista
  • On the evolutionary significance of horizontal gene transfer in plants. Wickell & Li, New Phytologist doi: 19.111/nph,16022 (2019)

  • Genomes of Subaerial Zygnematophyceae Provide Insights into Land Plant Evolution.Cheng et al, Cell Volume 179, Issue 5, 14 November 2019

  • Alien genes from bacteria helped plants conquer the land. Science by Elizabeth Pennisi Nov. 14, 2019

  • One thousand plant transcriptomes and the phylogenomics of green plants. One Thousand Plant Transcriptomes Initiative, Nature volume 574, pages 679–685 (2019)

  • Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium. Tatiana V. Matveeva and Léon Otten, Plant Molecular Biology, November 2019, Volume 101, Issue 4–5, pp 415– 437

  • Lateral transfer of large DNA fragments spread functional genes among grasses. Dunning et al, PNAS vol. 116, no. 10 March 5 2019.

  • The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: An example of a naturally transgenic food crop. Kyndt et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 112, 201419685 (2015).

  • Origin and timing of the horizontal transfer of a PgiC gene from Poa to Festuca ovina. Vallenback et al, Mol. Phylogenet. Evol. 46, 890–6 (2008)

  • Vallenback et al, Structure of the natural transgene PgiC2 in the common grass Festuca ovina. PLoS One 5, e13529 (2010)

  • A horizontally transferred nuclear gene is associated with microhabitat variation in a natural plant population. Prentice et al, Proc. Biol. Sci. 282, 20152453 (2015)

  • How important are transposons for plant evolution? Damon Lisch, Nature Reviews Genetics 14:49 (2013)

  • Widespread and frequent horizontal transfers of transposable elements in plants, El Baidouri et al, Genome Research doi:10.1101/gr.164400.113 (11 februari 2014);

  • Horizontal Gene Transfer from Diverse Bacteria to an Insect Genome Enables a Tripartite Nested Mealybug Symbiosis, McCutcheon et al, Cell 153 (7):1567 (2013)

  • Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Moran and Jarvik, Science 328, 624–627 (2010)

  • Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes. Crisp et al, Genome Biology 16, 50 (2015)

  • Horizontal transfer of an adaptive chimeric photoreceptor from bryophytes to fernsLi et al, PNAS doi/10.1073/pnas.1319929111 (2014)

  • Retrotransposons Control Fruit-Specific, Cold-Dependent Accumulation of Anthocyanins in Blood Oranges. The Plant Cell, March 2012.