Een nieuwe, grootschalige analyse van de relaties tussen leden van de grootste onderfamilie van grassen, waaronder tarwe en gerst, onthult gen-duplicatiegebeurtenissen die hebben bijgedragen aan de aanpassing van de planten aan lagere temperaturen. Door deze aanpassingen konden de grassen gedijen in gematigde klimaten en werden ze door mensen uitgebuit om het bereik en het seizoen uit te breiden voor het kweken van belangrijke gewassen. Een paper waarin de studie wordt beschreven, onder leiding van wetenschappers van Penn State, verschijnt online in het tijdschrift Molecular Biology and Evolution .

"Grassen zijn de vijfde grootste plantenfamilie met meer dan 11.000 soorten", aldus Hong Ma, Dorothy Foehr Huck en J. Lloyd Huck, voorzitter van Plant Reproductive Development and Evolution en hoogleraar biologie aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. "Ze groeien van nature op alle zeven continenten, waaronder een van de twee inheemse bloeiende planten op Antarctica. Veel leden van de grootste onderfamilie van grassen, bekend als Pooideae, hebben zich aangepast om te groeien in gematigde omgevingen. Om mogelijke factoren te onderzoeken die hebben geleid tot deze koele aanpassing , hebben we een analyse van de Pooideae-stamboom uitgevoerd met behulp van een groot aantal nucleaire genen."

Het onderzoeksteam vergeleek transcriptomen - DNA-sequenties van alle genen die door een organisme tot expressie worden gebracht - van 157 Pooideae-soorten die bijna alle belangrijke onderverdelingen binnen de onderfamilie omvatten.

"Deze groep grassen begon ongeveer 50 miljoen jaar geleden uit te breiden toen de aarde in een afkoelingsperiode verkeerde", zei Ma. "De aarde was toen veel warmer, maar de planten en dieren waren ook heel anders. Deze grassen konden gedijen omdat ze zich konden aanpassen aan de veranderende omgeving. Alle belangrijke onderverdelingen binnen de onderfamilie - stammen genaamd - waren gevestigd in de eerste deel van deze afkoelingsperiode. Later was er nog een grote uitbreiding die leidde tot grote diversificatie op soortniveau. Het huidige succes van deze onderfamilie van ongeveer 4.000 soorten, profiteerde van het vermogen om zich aan te passen toen de aarde afkoelde. "

Hoe konden deze grassen zich zo goed aanpassen aan de veranderende omgeving? Ze ontwikkelden eigenschappen die beter geschikt waren voor koudere temperaturen, waaronder bloemen met verschillende vormen en maten, koude-afhankelijke bloei en moleculaire aanpassingen die cellulaire bevriezing verminderen. Al deze veranderingen zijn afhankelijk van genetische innovatie.

Een belangrijke bron van genetische innovatie is genduplicatie. Genduplicatie kan optreden wanneer fouten tijdens genoomreplicatie of recombinatie resulteren in extra kopieën van genen. Deze extra kopieën zijn vaak functioneel overbodig ten opzichte van de originele kopieën van het gen en kunnen daardoor vrijer mutaties verdragen. Vaak zijn ze zo gemuteerd dat ze hun functie helemaal verliezen, maar soms kunnen deze mutaties leiden tot functionele innovaties.

"Onze studie van de relaties tussen de soorten in deze onderfamilie van grassen stelde ons in staat om adaptieve veranderingen te traceren ten opzichte van geologische en klimaatveranderingen", zei Ma. "Het stelde ons ook in staat om genduplicaties te identificeren die zich in de loop van de tijd hebben voorgedaan en die deze aanpassing waarschijnlijk hebben ondersteund."

Een voorbeeld van genduplicatie die waarschijnlijk heeft geholpen bij de koude aanpassing van deze grassen, zijn CBF-genen. Moleculaire studies hebben een rol aangetoond voor CBF en verwante genen in het vermogen van een plant om bevriezing te verdragen. De onderzoekers laten zien dat de vroegste leden van de Pooideae-subfamilie waarschijnlijk drie kopieën van deze genen hadden. Moderne gerst heeft er 20 en tarwe 37. Een ander voorbeeld zijn de AP1/FUL-genen die betrokken zijn bij vernalisatie:het vermogen van planten om te gaan met seizoensveranderingen en lange, koude winters en hebben soortgelijke duplicaties meegemaakt in Pooideae.

"We kunnen volgen wanneer deze duplicatiegebeurtenissen plaatsvonden in de Pooideae-stamboom en ze associëren met veranderingen in de omgeving om het proces van koude aanpassing in deze grassen beter te begrijpen," zei Ma. "Omdat we nu een nieuwe periode van wereldwijde milieuverandering doormaken, is het misschien belangrijker dan ooit om te begrijpen hoe planten zich aanpassen aan dit soort veranderingen."