Gräser bedecken etwa 40 % der Landoberfläche der Erde und gedeihen in einer Vielzahl von Umgebungen. Der evolutionäre Erfolg dieser Pflanzenfamilie, zu der Reis, Mais, Weizen und Bambus gehören, ist wahrscheinlich das Ergebnis einer Geschichte von Duplikationen des gesamten Genoms, wie eine neue Analyse unter der Leitung von Biologen der Penn State zeigt.
Ein Artikel über die Forschungsergebnisse erschien in der Zeitschrift Naturkommunikation.
Das Forschungsteam verglich die Genome einer vielfältigen Auswahl von über 350 Grasarten und baute dabei rückwärts auf, um sich ein Bild davon zu machen, wie das Genom der Urgräser ausgesehen haben könnte.
Sie lieferten Informationen zur Genduplikation im großen Maßstab für eine bekannte Duplikation des gesamten Genoms, die bei allen Gräsern vorkommt – ein als Rho bezeichnetes Ereignis, das dazu führte, dass die Zellen der Vorfahren der Gräser zwei Kopien der genetischen Informationen des Organismus enthielten.
Das Team stellte außerdem zusätzliche, neuere Genomduplikationen in bestimmten Abstammungslinien fest und verfolgte, welche duplizierten Gene in einzelnen Arten erhalten geblieben oder verloren gegangen waren. Den Forschern zufolge könnte dies zur Diversifizierung der Gräser beigetragen haben.
„Manchmal können sich verschiedene Organismenarten paaren und Nachkommen zeugen. Dieser Vorgang wird Hybridisierung genannt“, sagte Hong Ma, Inhaber des Huck-Lehrstuhls für pflanzliche Fortpflanzungsentwicklung und -evolution und Professor für Biologie am Penn State Eberly College of Science sowie Leiter des Forschungsteams.
„Bei Tieren sind die Nachkommen oft steril, wie zum Beispiel bei der Paarung von Pferden und Eseln, bei der Maultiere entstehen. Diese Sterilität ist oft auf Probleme bei der Teilung der beiden Genome bei der Bildung von Spermien und Eizellen zurückzuführen. Bei Pflanzen kommt es viel häufiger zu Hybridisierungen und die daraus entstehenden Hybride können überleben und sich fortpflanzen, wodurch Duplikationen des gesamten Genoms häufiger vorkommen.“
Kommt es infolge einer Hybridisierung zu einer Duplikation des gesamten Genoms, besitzt die daraus entstehende Pflanze zwei Kopien aller Gene. Die duplizierten Gene können sich leicht unterscheiden, da sie von den beiden unterschiedlichen Arten stammen, die sich gekreuzt haben. Da jedoch nur eine Kopie benötigt wird, gilt die andere Kopie als redundant, was bedeutet, dass sie sich ohne großes Risiko negativer Auswirkungen frei weiterentwickeln kann.
„Wenn ein Gen eine Mutation erfährt, wirkt sich dies in den meisten Fällen negativ auf die Funktion des Gens aus“, sagte Ma.
„Aber wenn Sie doppelte Gene haben, kann sich eines davon freier verändern, während das andere seine Funktion beibehält. Auf diese Weise sind doppelte Gene oft das Rohmaterial für die evolutionäre Anpassung. Manchmal machen die DNA-Reparaturmechanismen in der Zelle die beiden Kopien ähnlicher – ein Prozess, der als Genkonversion bezeichnet wird. Manchmal geht eine Kopie ganz verloren und manchmal entwickelt eine Kopie eine neue Funktion.“
In früheren Untersuchungen erstellten Ma und sein Team eine vollständigere Phylogenese oder einen Stammbaum der Gräser. Dieses bessere Verständnis der Beziehungen zwischen den Gräserarten ermöglichte es ihnen, duplizierte Genpaare in verwandten Arten zu verfolgen und zu sehen, wo sie verloren gingen, erhalten blieben oder sich entwickelten.
„Es ist ein bisschen wie molekulare Paläontologie“, sagte Ma. „Jede moderne Art hat evolutionäre Veränderungen durchgemacht, die die Geschichte der Genomverdopplung verschleiern können, aber bei einer großen Anzahl von Arten können wir immer mehr Teile dieser Geschichte sehen, um sie zu rekonstruieren. Es ist, als würde man Knochen von verschiedenen einzelnen Dinosauriern finden, um ein vollständigeres Bild des gesamten Skeletts zu rekonstruieren.“
Um die bekannte, allen Gräsern gemeinsame Rho-Genomduplikation besser zu verstehen, identifizierte das Forschungsteam Gene, die an Umweltanpassungen beteiligt sind und in den einzelnen Gräserunterfamilien unterschiedlich erhalten bleiben.
Dazu gehören ein Gen für die Anpassung an aquatische Umgebungen beim Reis, ein Gen für die Kälteanpassung in der Unterfamilie, zu der Weizen, Gerste, Hafer und Roggen gehören, ein Gen für schnelles Zellwachstum beim Bambus und ein Gen für die Reaktion auf Dürre beim Mais.
Das Team identifizierte außerdem neun bislang unbekannte Ereignisse der Duplikation des gesamten Genoms innerhalb einzelner Graslinien.
„Gräser haben es mit großem Erfolg geschafft, eine große Vielfalt an Lebensräumen auf der ganzen Welt zu besiedeln“, sagte Ma.
„Mit unserem verbesserten Verständnis der Beziehungen zwischen den Gräsern können wir erkennen, wie wichtig Ereignisse der Duplikation des gesamten Genoms für diesen Erfolg waren, und beginnen, die Gene zu identifizieren, die in einzelnen Arten erhalten geblieben oder verloren gegangen sind und diese Diversifizierung ermöglicht haben.
„Diese Informationen könnten auch dazu beitragen, selektive Züchtungsbemühungen bei Nutzpflanzen zu steuern, um die natürlichen Anpassungen auszunutzen, die es Gräsern ermöglichen, in solch unterschiedlichen Umgebungen zu gedeihen.“
Mehr Informationen:
Taikui Zhang et al., Phylogenomische Profile von Vollgenomduplikationen bei Poaceae und Landschaft der differentiellen Duplikatsbeibehaltung und -verluste bei den wichtigsten Poaceae-Linien, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47428-9