Wie eine Veränderung eines einzelnen Gens zu einer neuen Affenblumenart führte

Monkeyflowers leuchten in einer reichen Auswahl an Farben, von Gelb über Pink bis hin zu tiefem Rot-Orange. Aber vor etwa 5 Millionen Jahren verloren einige von ihnen ihr Gelb. In der Ausgabe vom 10. Februar WissenschaftUConn-Botaniker erklären, was genetisch passiert ist, um das gelbe Pigment abzuwerfen, und die Auswirkungen auf die Evolution der Arten.

Affenblumen sind berühmt dafür, in rauen, mineralreichen Böden zu wachsen, wo andere Pflanzen nicht wachsen können. Sie sind auch bekannt für ihre Vielfalt in Form und Farbe. Affenblumen sind auch ein Lehrbuchbeispiel dafür, wie eine Veränderung eines einzelnen Gens eine neue Art hervorbringen kann. In diesem Fall verlor eine Affenblumenart die gelben Pigmente in den Blütenblättern, wurde aber vor etwa 5 Millionen Jahren rosa und zog Bienen zur Bestäubung an. Später häufte eine Nachkommenart Mutationen in einem Gen namens YUP an, das die gelben Pigmente zurückgewinnte und zur Produktion roter Blüten führte. Die Art zog keine Bienen mehr an. Stattdessen bestäubten ihn Kolibris, isolierten die roten Blüten genetisch und schufen eine neue Art.

Der UConn-Botaniker Yaowu Yuan und der Postdoktorand Mei Liang (derzeit Professor an der South China Agricultural University) haben nun zusammen mit Mitarbeitern von vier anderen Instituten genau gezeigt, welches Gen verändert wurde, um zu verhindern, dass Affenblumen gelb werden. Ihre Forschung, veröffentlicht diese Woche in Wissenschaftverleiht einer Theorie Gewicht, dass neue Gene phänotypische Vielfalt und sogar neue Arten schaffen.

Das fragliche YUP-Gen befindet sich an einem Ort (Region) des Affenblumengenoms, der drei neue Gene enthält. Diese neuen Gene kommen bei Arten außerhalb dieser Gruppe nicht vor. Sie sind Duplikate anderer Gene aus anderen Teilen des Affenblumengenoms. Insbesondere ist YUP ein partielles Duplikat eines bereits existierenden Gens, das nichts mit Farbe zu tun hat.

Eine gängige genetische Überzeugung ist, dass teilweise doppelte Gene die Gene regulieren, von denen sie abgeleitet sind; Es war sehr unwahrscheinlich, dass diese Gene ein nicht verwandtes Gen beeinflussen würden. Liang beschloss, gegen den Rat von Yuan, der es für Zeitverschwendung hielt, trotzdem zu untersuchen, was diese Gene taten. Aber Liangs Beharrlichkeit zahlte sich aus: Sie entdeckte, dass das YUP-Gen tatsächlich auf den Hauptregulator der Pflanzen für Carotinoide abzielte, die Pigmente, die Affenblumen und andere Pflanzen gelb machen. YUP produzierte viele kleine RNAs, die das Carotinoid-Gen unterdrückten. Es gibt nur sehr wenige Beispiele für Gene, die kleine RNAs produzieren, die Merkmale beeinflussen, die für die Schaffung einer neuen Art wichtig sind.

„Diese Erfahrung hat mich wirklich gelehrt, wie wichtig es ist, sich nicht mit ‚konventionellen Weisheiten‘ einzuschränken“, sagt Yuan. YUP reguliert nicht nur ein Gen, mit dem es überhaupt nichts zu tun hat; Die anderen beiden Gene an diesem Ort beeinflussen auch die Farbe der Affenblume, sagt Yuan.

Die Einzigartigkeit dieser drei Gene, die nur in einigen eng verwandten Affenblumen zu finden sind, ist ein wichtiger Hinweis darauf, wie sich neue Arten entwickeln.

„Fast jede einzelne Art hat einzigartige Gene, die ‚taxonspezifisch‘ genannt werden, weil sie nur in einer kleinen Gruppe von Arten vorkommen. Zum größten Teil haben wir keine Ahnung, was diese Gene bewirken“, sagt Yuan. Diese Forschung zeigt, dass diese taxonspezifischen Gene der Schlüssel zu der neuen Art sein können. Früher dachten viele Genetiker und Evolutionsbiologen, dass es Veränderungen in der Expression gemeinsamer Gene sind, die viele verschiedene Arten teilen, die sie unterscheiden, und dass die geringe Anzahl idiosynkratischer Gene wahrscheinlich nicht wichtig ist.

„Wir glauben, dass wir die Evolution gut genug verstehen, um Vorhersagen treffen zu können. Aber jetzt stellen wir fest, dass wir das wirklich nicht tun. Die Evolution ist einfach so unvorhersehbar“, sagt Yuan.

Sein Labor untersucht nun, wie das Genom der Affenblume die Pigmentproduktion räumlich steuert. Zum Beispiel haben einige Affenblumen obere Blütenblätter, die vollständig weiß sind, aber untere Blütenblätter mit Farbe. Yuan und seine Kollegen wollen wissen, wie die Pflanzen Pigmente nur in bestimmten Teilen der Blüte unterdrücken.