Verborgene Mechanismen der Selbstinkompatibilität hermaphroditischer Pflanzen aufgedeckt

Eine neue Studie präsentiert ein evolutionär-biophysikalisches Modell, das neues Licht auf die Evolution der kollaborativen Selbstinkompatibilität ohne Selbsterkennung wirft, einem genetischen Mechanismus bei Pflanzen, der Selbstbefruchtung verhindert und Kreuzbefruchtung fördert. Das innovative Modell führt promiskuitive molekulare Interaktionen als Schlüsselelement ein und erweitert so unser Verständnis der genetischen Vielfalt und Evolution bei hermaphroditischen Pflanzen.

A Studie Unter der Leitung von Dr. Tamar Friedlander und ihrem Team am Robert H. Smith Institute of Plant Sciences and Genetics in Agriculture der Hebräischen Universität wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Ohad Feldheim vom Einstein Institute of Mathematics der Hebräischen Universität ein evolutionär-biophysikalisches Modell entwickelt, das neues Licht auf die Evolution der kollaborativen Nicht-Selbsterkennungs-Selbstinkompatibilität bei Pflanzen wirft.

Die Studie erschien in Naturkommunikationführt einen neuen theoretischen Rahmen ein, der promiskuitive molekulare Interaktionen einbezieht, die in traditionellen Modellen weitgehend übersehen wurden.

Selbstinkompatibilität (SI) ist ein weit verbreiteter biologischer Mechanismus bei Pflanzen mit männlichen und weiblichen Fortpflanzungsorganen, der die Selbstbefruchtung verhindert und die genetische Vielfalt fördert. Bei diesem Mechanismus beruht die Befruchtung auf der spezifischen Erkennung zwischen sehr unterschiedlichen Proteinen: der RNase (weibliche Determinante) und der SLF (männliche Determinante).

Durch die Interaktion dieser Proteine ​​wird sichergestellt, dass die Pflanzen nur mit fremden Partnern kompatibel sind und so ein vielfältiger Genpool erhalten bleibt.

Das neue Modell von Dr. Friedlander und ihrem Team stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Evolutionsdynamik von Selbstinkompatibilitätsproteinen dar. Indem es promiskuitive Interaktionen – bei denen Interaktionen mit unbekannten Partnern wahrscheinlich sind – und mehrere unterschiedliche Partner pro Protein zulässt, stimmt das Modell besser mit empirischen Erkenntnissen überein als frühere Modelle, die nur Eins-zu-eins-Interaktionen annahmen.

Diese Promiskuität ermöglicht ein flexibles Interaktionsmuster zwischen männlichen und weiblichen Proteinen und bietet neue Einblicke in die Entwicklung und Interaktion dieser Proteine ​​über Generationen hinweg.

„Unsere Forschung zeigt, dass die Fähigkeit von Proteinen, promiskuitive Interaktionen einzugehen, für die langfristige evolutionäre Aufrechterhaltung von Selbstinkompatibilitätssystemen von entscheidender Bedeutung ist“, erklärte Dr. Friedlander.

„Wir gehen davon aus, dass der Standardzustand dieses Systems darin besteht, dass eine Erkennung wahrscheinlich ist und evolutionärer Druck erforderlich ist, um sie zu vermeiden, im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen wurde. Diese Flexibilität hilft nicht nur dabei, die genetische Vielfalt aufrechtzuerhalten, sondern legt auch nahe, dass ähnliche Mechanismen in anderen biologischen Systemen wirken könnten.“

Die Studie zeigt auch, wie sich Populationen dieser Pflanzen spontan in unterschiedliche Kompatibilitätsklassen organisieren, wodurch eine vollständige Kompatibilität zwischen den verschiedenen Klassen gewährleistet wird, während innerhalb der gleichen Klasse die Inkompatibilität erhalten bleibt.

Das Modell sagt verschiedene Evolutionspfade voraus, die allein auf Punktmutationen beruhen und zur Bildung oder Eliminierung dieser Kompatibilitätsklassen führen könnten. Das dynamische Gleichgewicht zwischen der Entstehung und dem Zerfall dieser Klassen, das ein nachhaltiges Evolutionsmodell liefert, wurde von den Forschern mithilfe einer Mischung aus empirischen und theoretischen Werkzeugen analysiert, die aus dem Bereich der statistischen Mechanik in der Physik entlehnt wurden.

„Die Erkenntnisse aus unserer Studie haben nicht nur tiefgreifende Auswirkungen auf die Pflanzenbiologie, sondern auch auf das Verständnis der grundlegenden Prinzipien der molekularen Erkennung und ihrer Auswirkungen auf die Entwicklung biologischer Netzwerke“, fügte Dr. Friedlander hinzu. „Unsere Erkenntnisse könnten auch zum Schutz der Pflanzenartenvielfalt beitragen.“

Diese Forschung, die die Rolle von promiskuitiven und multipartnerischen molekularen Interaktionen hervorhebt, wird wahrscheinlich die Suche nach diesen beiden Elementen in weiteren biologischen Systemen anregen und dazu beitragen, die Evolution verschiedener komplexer molekularer Netzwerke zu erklären. Sie bereichert das Verständnis der Pflanzenbiologie und hat weitreichende Auswirkungen auf die Entschlüsselung der Evolution biologischer Netzwerke und die Bewirtschaftung der Artenvielfalt.