Onderzoekers van de Universiteit van Wenen hebben samen met medewerkers uit Frankrijk, Duitsland, Zwitserland en de VS een doorbraak bereikt in het begrijpen hoe genetische factoren de evolutie van een specifiek fotosynthesemechanisme in Tillandsia (luchtplanten) beïnvloeden. Dit werpt licht op de complexe acties die plantaanpassing en ecologische diversiteit veroorzaken. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Plant Cell.

Sommige plantensoorten hebben een waterbesparende eigenschap ontwikkeld, genaamd Crassulacean Acid Metabolism (CAM). CAM-planten zoals de meeste Tillandsia-soorten – het soortrijkste geslacht in de ananasfamilie (Bromeliaceae) – optimaliseren de efficiëntie van hun watergebruik:terwijl andere planten normaal gesproken overdag hun huidmondjes (kleine poriën in hun bladeren) openen om koolstofdioxide te absorberen voor fotosynthese CAM-planten doen dit 's nachts en slaan CO₂ op weg voor later gebruik, waardoor ze kunnen overleven met minder water.

Deze eigenschap evolueerde verschillende keren onafhankelijk in het plantenrijk. De evolutie van de complexe genetische basis van CAM is echter ongrijpbaar gebleven, waardoor het een focus van onderzoek in de evolutionaire biologie is geworden.

Genregulatie is de sleutel

In deze studie concentreerde het onderzoeksteam zich op een paar Tillandsia-soorten die uiteenlopende vormen van fotosynthese vertoonden – CAM versus C3 – wat betekent dat de C3-soort de gespecialiseerde aanpassing aan droge omstandigheden mist. Door geavanceerde technieken te gebruiken om de genetica en biochemie van planten te bestuderen – bijvoorbeeld analyses van genarrangementen, moleculaire en genfamilie-evolutie, temporele differentiële genexpressie en metabolieten – ontdekten ze dat veranderingen in genregulatie voornamelijk verantwoordelijk zijn voor genomische mechanismen die de CAM-evolutie aandrijven. Tillandsia.

Clara Groot Crego, afdeling Botanie en Biodiversiteitsonderzoek aan de Universiteit van Wenen en hoofdauteur van de studie, legt uit:“Onze bevindingen laten zien dat hoewel grootschalige veranderingen het genoom van Tillandsia net als andere planten hebben beïnvloed, de aanpassing van de manier waarop fotosynthese werkt voornamelijk gebeurt door hoe genen worden gereguleerd – niet door de sequenties te veranderen die coderen voor eiwitten."

Belangrijke inzichten uit de studie omvatten de identificatie van CAM-gerelateerde genfamilies die een versnelde expansie in CAM-soorten ondergaan. Dit benadrukt de cruciale rol van de evolutie van de genfamilie bij het genereren van nieuwe variatie die de CAM-evolutie aandrijft.

Naar nieuwe niches door herhaalde evolutie

"CAM is herhaaldelijk geëvolueerd in verschillende Tillandsia-soorten en heeft hun vermogen om nieuwe ecologische niches te koloniseren versneld, wat een belangrijke motor is voor de ongebreidelde soortvorming die binnen deze groep wordt waargenomen", zegt Ovidiu Paun, afdeling Botanie en Biodiversiteitsonderzoek aan de Universiteit van Wenen en directeur onderzoeker van het onderzoek.

"Ons onderzoek benadrukt het potentiële belang van genetische innovatie, naast louter veranderingen van basenparen, bij het stimuleren van ecologische diversificatie", voegt Paun toe.

Thibault Leroy, hoofdonderzoeker van INRAE ​​Toulouse, Frankrijk, benadrukt dat deze studie implicaties heeft die verder gaan dan de fundamentele wetenschap. "Inzicht in hoe CAM zich heeft ontwikkeld, kan helpen bij het ontwikkelen van strategieën om gewassen veerkrachtiger te maken tegen watertekorten en om te gaan met klimaatverandering."

Het onderzoek zal worden uitgebreid naar meer soorten van deze en andere plantengroepen in het kader van een nieuw samenwerkingsproject.

Meer informatie: Clara Groot Crego et al., CAM-evolutie wordt geassocieerd met uitbreiding van de genfamilie bij een explosieve bromeliastraling, The Plant Cell (2024). DOI:10.1093/plcell/koae130

Journaalinformatie: Plantencel

Aangeboden door Universiteit van Wenen