Sciencemag.cz
Doporučujeme
Zdvojení kompletní genetické informace je jednou z hnacích sil diverzifikace rostlin.
Dokážou se rostliny adaptovat na nepříznivé podmínky prostředí jako jsou například toxické půdy? Postačuje jim k tomu již odzkoušená genetická variabilita sdílená napříč populacemi nebo musí přicházet stále s novými mutacemi? A jakou roli hraje zdvojení celého genomu, polyploidizace — nejrozsáhlejší mutace kterou z přírody známe? Výzkum vedený týmem Evoluční genomiky na katedře botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, publikovaný v prestižním časopise Nature Communications, ukázal schopnost rostlin se zdvojeným genomem, polyploidů, rychle se adaptovat na stresující toxické půdy, a to převážně díky opakovaným mutacím v genech zodpovědných za hospodaření s důležitými ionty. Výzkum ale vedl i k prvnímu empiricky doloženému vzniku nových mutací s funkčními důsledky u polyploidů.
Zdvojení kompletní genetické informace je jednou z hnacích sil diverzifikace rostlin. Tato masivní mutace ovlivňující kompletní genetickou informaci, genom, může rostlinám poskytnout důležitý zdroj genetické variability. Právě taková variabilita je důležitá, když rostliny potřebují reagovat na náhlou změnu prostředí a chtějí se této změně rychle přizpůsobit. Polyploidizace poskytuje jakousi „zásobárnu“ genetických variant, která slouží evoluci jako zdroj již ověřených variant — proč znovu vynalézat kolo? Zároveň poskytuje dostatek zkušebního materiálu pro vznik nových mutací, které se mohou ukázat jako výhodné např. během kolonizace nového stanoviště. Role těchto rozdílných „zásobáren“ genetických variant v procesu adaptace u polyploidů však zůstává neznámá.
Jako model pro tento výzkum vědci zvolili přírodní populace huseníčku, které opakovaně kolonizovaly toxický substrát – hadcové půdy, typické přirozeným zvýšeným obsahem těžkých kovů a hořčíku. Hadce se v krajině vyskytují jako izolované ostrovy, na kterých dokáže přežít pouze hrstka dobře přizpůsobených druhů. Slouží tedy jako “přírodní laboratoře”, ve kterých opakovaně probíhá experiment adaptace planě rostoucích populací huseníčku toxickým hadcovým půdám. Vědci nejprve pomocí klasických ekologických pokusů zjistili, že původem hadcoví jedinci rostou v hadcových půdách mnohem lépe než kontrolní nehadcoví jedinci. Dále zkombinovali nejnovější přístupy v oblasti populační genomiky a nalezli 61 genů pravděpodobně zodpovědných za toto přizpůsobení, a to opakovaně v různých hadcových populacích huseníčku. Tyto geny jsou například zodpovědné za přepravu iontů přes buněčné membrány nebo reakci na ionty kovů. Vědci dále zjistili, že převládající zdroj výhodných variant je dle očekávání jejich sdílení mezi hadcovými populacemi, mohou je tedy získat například od společného předka. Překvapivým zjištěným bylo objevení dvou nezávislých nových mutací, v konzervovaném místě v genu kódujícím klíčový protein centrálního transportéru vápníku. Tento gen hraje důležitou roli ve stresové signalizaci a nově nalezené mutace pravděpodobně určují, jak dobře budou přijímány vápenaté ionty, kterých je v hadcových půdách nedostatek. Paralelní nezávislý vznik nových mutací v rámci druhu je vzácný i u diploidů, příkladem byl vznik nových variant genu kódující laktázu u Evropanů a Afričanů, díky kterým můžeme v dospělosti konzumovat mléko nebo nové varianty genů zodpovědných za resistenci plevelů vůči herbicidům. Výsledky publikované u polyploidního huseníčku jsou však vůbec první dokládající tento mechanismus u polyploidů a obecně ukazují velkou evoluční flexibilitu těchto organismů s duplikovanými genomy.
Na výzkumu se podílely tyto vědecké instituce: Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy (vedoucí tým, primární pracoviště Veroniky Konečné, Magdaleny Bohutínské, Doubravky Požárové a Filipa Koláře), Botanický ústav Akademie věd, Přírodovědecká fakulta Jihočeské univerzity, School of Biosciences, School of Life Sciences, University of Nottingham, John Innes Centre (JIC), Norwich a Institute of Plant Sciences, University of Berne.
