Der Stammbaum der Sonnenblumen hat ergeben, dass sich die Blütensymmetrie bei den Mitgliedern dieser großen Pflanzenfamilie laut einer neuen Analyse mehrfach unabhängig voneinander entwickelt hat, ein Prozess, der als konvergente Evolution bezeichnet wird. Das von einem Biologen aus Penn State geleitete Forschungsteam löste weitere feinere Zweige des Stammbaums und lieferte Einblicke in die Entwicklung der Sonnenblumenfamilie – zu der Astern, Gänseblümchen und Nahrungspflanzen wie Salat und Artischocken gehören.
Ein Papier, in dem die Analyse und die Ergebnisse beschrieben werden, von denen die Forscher sagten, dass sie dabei helfen könnten, nützliche Merkmale zu identifizieren, um selektiv Pflanzen mit wünschenswerteren Eigenschaften zu züchten, erscheint im Tagebuch Pflanzenkommunikation.
„Konvergente Evolution beschreibt die unabhängige Entwicklung scheinbar gleicher Merkmale bei verschiedenen Arten, wie zum Beispiel Flügel bei Vögeln und Fledermäusen“, sagte Hong Ma, Huck-Lehrstuhlinhaber für Pflanzenreproduktive Entwicklung und Evolution, Professor für Biologie am Eberly College of Science an der Universität Penn State und der Leiter des Forschungsteams. „Das kann es schwierig machen, durch den Vergleich ihrer Merkmale festzustellen, wie eng zwei Arten miteinander verwandt sind. Daher ist ein detaillierter Stammbaum auf der Grundlage der DNA-Sequenz von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie und wann sich diese Merkmale entwickelt haben.“
Der Sonnenblumenkopf zum Beispiel ist eigentlich ein Komposit aus mehreren, viel kleineren Blüten. Während der Kopf im Allgemeinen radialsymmetrisch ist – er kann in mehrere Richtungen in zwei gleiche Hälften geteilt werden, wie ein Seestern oder eine Torte – können die einzelnen Blüten unterschiedliche Formen der Symmetrie aufweisen. Laut der neuen Studie hat sich die bilaterale Symmetrie – bei der es nur eine Linie gibt, die die Blüte in zwei gleiche Hälften teilt – im Laufe der Evolutionsgeschichte bei Sonnenblumen mehrfach unabhängig voneinander entwickelt und verloren. Die Forscher fanden heraus, dass diese konvergente Entwicklung wahrscheinlich mit Veränderungen in der Anzahl der Kopien und den Expressionsmustern des Blumenregulierungsgens CYC2 zusammenhängt.
In den letzten Jahren seien viele Stammbäume für eine Gruppe verwandter Arten unter umfassender Nutzung von Transkriptomen erstellt worden, bei denen es sich um die genetischen Sequenzen praktisch aller von einer Art exprimierten Gene handelt, erklärten die Forscher. Transkriptome sind einfacher zu erwerben als qualitativ hochwertige Gesamtgenomsequenzen einer Art, ihre Herstellung ist jedoch immer noch schwierig und kostspielig und erfordert frische Pflanzenproben. Um die Anzahl der zum Vergleich verfügbaren Arten zu erhöhen, griff das Team auf Genomsequenzen mit geringer Abdeckung zurück, die durch einen Prozess namens „Genom-Skimming“ hergestellt werden und selbst aus getrockneten Pflanzenproben relativ kostengünstig und einfach herzustellen sind.
„Um eine genaue Gesamtgenomsequenz für eine Art zu erhalten, muss jeder Buchstabe ihres DNA-Alphabets mehrmals gelesen – oder abgedeckt – werden, um Fehler zu minimieren“, sagte Ma. „Für die Erstellung eines Stammbaums zeigen wir in diesem Artikel, dass wir mit Genomsequenzen mit geringerer Abdeckung auskommen können. Dies ermöglichte es uns, die Anzahl der Arten in unserer Analyse zu erhöhen, was es uns wiederum ermöglichte, mehr Feinheiten aufzulösen Zweige am Stammbaum der Sonnenblumen.“
Das Team verwendete eine Kombination aus öffentlich zugänglichen und neu generierten Transkriptomen sowie einer großen Anzahl neu gewonnener entrahmter Genome für insgesamt 706 Arten mit Vertretern aus 16 Unterfamilien, 41 Stämmen und 144 Gruppen auf Unterstammebene in der Sonnenblumenfamilie. Die Unterfamilien sind Hauptunterteilungen der Familie, während die Stämme und Untertribus eine oder mehrere Gattungen enthalten können, wobei es sich um die Klassifizierungsebene direkt über der Art handelt.
„Frühere Versionen des Sonnenblumen-Stammbaums hatten die Beziehungen zwischen den meisten Unterfamilien und vielen Stämmen etabliert, die den Hauptzweigen eines Baumes entsprechen“, sagte Ma. „Mit unserer größeren Stichprobengröße konnten wir mehr kleinere Zweige und Zweige auf Untergruppen- und Gattungsebene auflösen. Dieser Baum mit höherer Auflösung ermöglichte es uns zu rekonstruieren, wo und wann sich Merkmale wie Blütensymmetrie entwickelten, was zeigte, dass bilaterale Symmetrie vorhanden sein muss.“ viele Male unabhängig voneinander entwickelt.“
Das Team untersuchte auch die molekulare Evolution von Genen, die an der Blütenentwicklung bei Sonnenblumen beteiligt sind. Sie fanden heraus, dass eines dieser Gene, CYC2, das in mehreren Kopien im Genom jeder Art vorkommt, bei Arten mit bilateral symmetrischen Blüten aktiviert wurde, was darauf hindeutet, dass es Teil der molekularen Grundlage für die konvergente Entwicklung dieses Merkmals sein könnte. Um dies weiter zu testen, führte das Team Experimente durch, um die CYC2-Genexpression in den Blüten von Arten mit unterschiedlichen Symmetrietypen zu quantifizieren.
„Unsere Analyse zeigte einen klaren Zusammenhang zwischen der CYC2-Expression und der Blütensymmetrie, was darauf hindeutet, dass Änderungen in der Art und Weise, wie diese Gene in verschiedenen Sonnenblumenarten verwendet werden, wahrscheinlich an der in der Familie beobachteten konvergenten Entwicklung beteiligt sind“, sagte Ma. „Die Familie der Sonnenblumen ist eine der beiden größten Blütenpflanzenfamilien mit über 28.000 Arten, darunter viele wirtschaftlich wichtige landwirtschaftliche und gartenbauliche Arten. Wenn wir verstehen, wie diese Arten miteinander verwandt sind, können wir bestimmen, wie und wann sich ihre Merkmale entwickelt haben. Dieses Wissen.“ könnte auch verwendet werden, um nützliche Merkmale zu identifizieren, die aus eng verwandten Wildarten in domestizierte Arten gezüchtet werden könnten.“
Zum Forschungsteam gehören neben Ma auch Guojin Zhang von der Penn State; Junbo Yang, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang und Lian-Ming Gao am Kunming Institute of Botany in Kunming, China; Caifei Zhang im Wuhan Botanical Garden und Sino-Africa Joint Research Center in Wuhan, China; Bohan Jiao und Tiangang Gao am State Key Laboratory of Plant Diversity and Specialty Crops in Peking, China; und Jose L. Panero an der University of Texas, Austin.
Mehr Informationen:
Guojin Zhang et al., Nukleare Phylogenomik von Asteraceae mit erhöhter Probenahme liefert neue Einblicke in die konvergente morphologische und molekulare Evolution, Pflanzenkommunikation (2024). DOI: 10.1016/j.xplc.2024.100851