Święty azjatycki lotos wodny, Nelumbo nucifera — piedestał z wyboru dla różnych egipskich i indyjskich bóstw. Łatwo zrozumieć dlaczego. Domena publiczna. Kliknij obraz, aby uzyskać link.
Creative Commons ehamburg. Kliknij obraz, aby uzyskać licencję i źródło.
Dla zwierząt, dziedziczenie więcej niż zwykłych dwóch kopii DNA jest zazwyczaj bardzo złą rzeczą. Może się to zdarzyć, gdy dwa plemniki zapładniają jedno jajo, lub gdy podział komórek płciowych błądzi, pozostawiając plemnik lub jajo z podwójnym zatwierdzonym ładunkiem. Ale dla embrionów zwierzęcych rezultat jest zazwyczaj taki sam: śmierć.
Jest to szczególnie prawdziwe u ssaków i ptaków, gdzie więcej niż dwie kopie – stan określany jako poliploidalność – produkuje coś, co eufemistycznie określa się mianem „ogólnego zaburzenia rozwoju”. Praktycznie rzecz biorąc, oznacza to rozpad systemu, i to bardzo szybko. U ludzi, trzy lub więcej kopii całego genomu występuje w około 5% ludzkich poronień.
Tylko dwa przypadki udanej poliploidalności są znane wśród ptaków, a tylko jeden wśród ssaków: południowoamerykański szczur czerwony viscacha (który jest dużo słodszy niż się wydaje). Ma on cztery kopie swojego genomu, co czyni go tetraploidalnym.
Poliploidalność jest nieco bardziej powszechna wśród innych zwierząt. Znanych jest kilkaset przypadków poliploidalności u owadów, gadów, płazów, skorupiaków, ryb i innych „niższych” zwierząt. Poliploidalność może być często wywoływana u tych stworzeń; coś, co nazywa się „triploidalnym pstrągiem” robi furorę wśród wędkarzy na północnym zachodzie Pacyfiku. Trzy zestawy chromosomów tej ryby nie mogą prawidłowo łączyć się w pary podczas podziału płciowego komórki, co czyni ją bezpłodną, ale tym samym pozwala jej rosnąć większym niż jej diploidalni krewni, ponieważ nie marnuje energii na takie błahostki jak jaja, sperma i zaczepianie się. Wiadomo, jak rybacy czują się z dużymi rybami, więc „triploidy” już zainspirowały wymagane epickie filmy wędkarskie.
Chociaż poliploidalność nie jest powszechna u zwierząt, podejrzewa się, że mogła odegrać rolę w ewolucji, eony temu, kręgowców, ryb płaszczkokształtnych i rodziny łososiowatych (której członkami są pstrągi). Ale ogólnie rzecz biorąc, poliploidalność jest ryzykowną i często niebezpieczną sprawą dla zwierząt.
Nie tak dla roślin, które wydają się mieć bardziej leseferystyczne podejście do całego biznesu.
W moim poście z początku tego tygodnia o zmutowanym diploidalnym mchu, wspomniałem, że był on zdolny do tworzenia funkcjonalnych jaj i plemników z dwiema kopiami genomu zamiast zwykłej jednej. Innymi słowy, potomstwo tego mutanta byłoby tetraploidalne. Fakt, że te rośliny wydają się być zdolne do produkcji żywych poliploidalne potomstwo sugeruje poliploidalność może być instrumentem ewolucji w mchów, jak to jest dla wielu innych roślin, zasugerował autorów papieru, że pisałem o.
Dla roślin, w przeciwieństwie do zwierząt, poliploidalność jest powszechne, pozornie niewinne, a często działał na przez dobór naturalny jako instrument specjacji. Być może rośliny tolerują duplikacji genomu lepiej niż zwierzęta, ponieważ mają z natury bardziej elastyczne plany ciała niż zwierzęta, i może łatwiej poradzić sobie z wszelkich zmian anatomicznych brutto, które mogą towarzyszyć.
Cokolwiek powód, roślin poliploidalność jest szalony. Naukowcy szacują, że połowa do dwóch trzecich roślin kwitnących jest poliploidalna, w tym ponad 99% paproci i 80% gatunków z rodziny traw – źródło ryżu, pszenicy, jęczmienia, owsa i kukurydzy. Podobnie jest z ogromną częścią innych naszych upraw, w tym trzciną cukrową, ziemniakami, słodkimi ziemniakami, bananami, truskawkami i jabłkami. Być może dokonaliśmy sztucznej selekcji pod tym kątem. W roślinach, duplikacja genomu często wydaje się pomóc zrobić więcej rzeczy, co jest dobre, jeśli szukasz do jedzenia rzeczy.
Chociaż duplikacja genomu może się zdarzyć na własną rękę w roślinach przez te same mechanizmy, które wspomniałem powyżej dla zwierząt, to nie jest to najczęstszy sposób. Częściej następuje ona w wyniku przypadkowego krzyżowania się dwóch blisko spokrewnionych gatunków. Zwykle daje to bezpłodne potomstwo, ponieważ niedopasowane chromosomy nie mają się z czym łączyć w pary podczas płciowego podziału komórki. Jeśli jednak przez przypadek chimera ta zduplikuje swój genom, płodność zostaje przywrócona przez połączenie w pary. Równocześnie powstaje organizm tetraploidalny i nowy gatunek.
Na przykład dwie z głównych odmian pszenicy uprawianej obecnie są wynikiem sekwencyjnego hybrydowego podwojenia i poczwórnego podwojenia genomów jej dzikich przodków trawiastych. Oryginalny gatunek przodka miał 14 chromosomów. Obecnie rolnicy uprawiają zarówno tetraploidalną, 28-chromosomową pszenicę durum, jak i heksaploidalną, 42-chromosomową pszenicę chlebową. Pszenica durum robi bardziej ząbkowaty makaron, podczas gdy glutenowa mąka heksaploidalna tworzy sieci białek, które rozciągają się na bardziej wyniosły, lżejszy chleb.
Dwie inne poliploidalne rośliny zrobiły fale w zeszłym tygodniu: mięsożerna bladderwort i święty lotos. Pęcherznica była w centrum uwagi dzięki odkryciu, że jest prawie wolna od „śmieciowego” DNA nie kodującego białek, materiału, w który obfituje prawie każdy inny złożony organizm, łącznie z Tobą.
Ale maleńka, owadożerna roślina zdołała osiągnąć tę parsymonię pomimo trzech rund duplikacji genomu. Teoretycznie ma osiem kopii każdego genu, w odniesieniu do dwukopijnego przodka prawie wszystkich prawdziwych lub „eudicots”, masywnej grupy roślin kwitnących. To czyni go ośmioploidem. (Może być nawet bardziej ploidalny, jeśli weźmiemy pod uwagę, że eudikoty potroiły swoje genomy wkrótce po wyewoluowaniu). Ale w praktyce, z powodów, których naukowcy nie do końca rozumieją, bladderwort w jakiś sposób usunął wszystkie kopie z wyjątkiem jednej, większości swoich zduplikowanych genów, wraz z ogromną większością nie kodującego białka DNA. To jest dopiero skuteczność.
Pełna sekwencja genetyczna świętego lotosu została opublikowana 10 maja. Lotos wydaje się być pierwszą rośliną, która oddzieliła się od reszty eudicots, nawet przed wczesną triplikacją genomu, do której nawiązałem powyżej. Ale to oddzielnie podwoiła swój własny genom gdzieś po. Podejrzanie, autorzy dokumentu ujawniającego jego sekwencję raport, podwojenie wydaje się mieć miejsce około 65 milionów lat temu.
Jest to godne uwagi, oczywiście, ponieważ jest to tuż wokół czasu nasza planeta dostała smarkacza puknął z niego przez asteroidę, która bid sayonara do dinozaurów — ale także do około 60% gatunków roślin. W czasach stresu środowiskowego, zauważają autorzy, rośliny, które zduplikowały swoje genomy wydają się lepiej przystosowywać i przetrwać. Można spekulować, że jest to dzięki surowcowi, że drugi, zbędny zestaw genów zapewnia dobór naturalny do tworzenia białek z nowymi funkcjami.
Wiele innych gatunków roślin wydaje się podwoić swoje genomy wokół czasu uderzenia asteroidy K-T, autorzy piszą, sugerując, że cokolwiek warunki w tym czasie były, poliploidalność wydaje się być dobrą strategią przetrwania dla roślin. Była to również opcja znacznie mniej dostępna dla zwierząt, które z tego i prawdopodobnie wielu innych powodów (brakuje im zdolności niektórych roślin do tworzenia ufortyfikowanych struktur spoczynkowych i przechodzenia w stan uśpienia, na przykład) poniosły większe straty. Uważa się, że być może 80% gatunków zwierząt na Ziemi wyginęło w katastrofalnym następstwie uderzenia.
Otto S. & Whitton J. (2000). Polyploid Incidence and Evolution, Annual Review of Genetics, 34 401-437. DOI: 10.1146/annurev.genet.34.1.401
Ming R., VanBuren R., Liu Y., Yang M., Han Y., Li L.T., Zhang Q., Kim M.J., Schatz M.C. & Campbell M. & (2013). Genom długo żyjącego lotosu świętego (Nelumbo nucifera Gaertn.), Genome Biology, 14 (5) R41. DOI: 10.1186/gb-2013-14-5-r41
Ibarra-Laclette E., Lyons E., Hernández-Guzmán G., Pérez-Torres C.A., Carretero-Paulet L., Chang T.H., Lan T., Welch A.J., Juárez M.J.A. & Simpson J. & (2013). Architecture and evolution of a minute plant genome, Nature, DOI: 10.1038/nature12132