Najciekawsza roślina kwiatowa świata

Najciekawsza roślina kwiatowa świata

Przywitajcie się z Amborella, prawdopodobnie najciekawszą żyjącą dziś na Ziemi rośliną kwiatową, która jest nie tylko ewolucyjnym unikatem, ale powinna także śnić się w koszmarach wrogów modyfikacji genetycznych, gdyż przerasta wszystko, co stworzyli biotechnolodzy:

Foto: Scott Zona; użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Daleka krewna

Głównym powodem dotychczasowej biologicznej sławy Amborella było to, że stanowi ona grupę siostrzaną wobec wszystkich innych roślin okrytonasiennych:

Oznacza to, że jeśli weźmiemy dwie dowolne współczesne rośliny okrytonasienne, będą one ze sobą zawsze bliżej spokrewnione, niż każda z nich z Amborella. To zaś czyni Amborella prawdziwą kopalnią wiedzy dla speców zajmujących się ewolucją roślin.

Obszar występowania Amborella. Grafika (zmodyfikowana): TUBS, CC BY-SA 3.0.

Obszar występowania Amborella. Grafika (zmodyfikowana): TUBS, CC BY-SA 3.0.

O odmienności Amborella wiemy dzięki badaniom genetycznym, ale jeszcze nim je wykonano zorientowano się, że ta żyjąca na niewielkim skrawku Nowej Kaledonii roślina posiada szereg prymitywnych cech, które wskazywały na jej ewolucyjną specyfikę.

Pradawne kwiaty

Szczególnie prymitywne są jej kwiaty. Widać to dobrze po pręcikach, czyli części kwiatu, które są niejako roślinnymi męskimi genitaliami. U większości roślin okrytonasiennych są zbudowane mniej więcej tak jak u lilii, której pręcik przedstawia fotografia poniżej.

Foto: Sergey Urzhumskov, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Foto: Sergey Urzhumskov, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Pręciki mają postać produkującej pyłek główki, która osadzona jest na cienkiej nitce wyrastającej z dna kwiatowego (więcej o tym przeczytacie tutaj). Botanicy uważają, że pręciki to silnie zmodyfikowane płatki kwiatów (które z kolei są zmodyfikowanymi liśćmi). Pręciki Amborella potwierdzają przewidywania tej teorii. Męskie kwiaty Amborella wyglądają tak:

Foto: Scott Zona; użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Foto: Scott Zona; użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Zbudowane są z wielu płatków. Płatki te, z białawymi zgrubieniami na brzegach, to właśnie pręciki Armborella. Wyglądają jak płatki, z których brzegów sypie się pyłek, a więc pewnie przypominają pręciki pierwotnych roślin kwiatowych.

Żeńskie kwiaty Amborella są jeszcze ciekawsze. Przede wszystkim posiadają płatki, które zewnętrznie zbudowane są podobnie do prymitywnych pręcików kwiatów męskich, z tym, że nie produkują pyłku. Wewnątrz kwiatu żeńskiego znajdują się słupki, które zapładniane są przez pyłek (a dokładniej kryjące się wewnątrz słupków komórki jajowe zapładniane są przez gamety kryjące się wewnątrz ziaren pyłku):

Foto: Penn State, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC 2.0.

Foto: Penn State, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC 2.0.

Konkretny osobnik Amborella w danym momencie swojego życia wytwarza albo męskie kwiaty z pręcikami, albo żeńskie ze słupkami. Ale w kolejnych latach ten sam osobnik może niejako zmieniać płeć i produkować inny typ kwiatów, niż poprzednio.

Kopalnia genów

Wspomniałem, że roślina taka jak Amborella to prawdziwa kopalnia odkryć dla botaników. Oto dlaczego. Jedną z głównych stosowanych dzisiaj metod badań ewolucji jest porównywanie genomów różnych, mniej lub bardziej spokrewnionych organizmów.

Geny i zbudowany z nich genom nie są tylko zapisem budowy i funkcji organizmu, sterującym funkcjonowaniem komórek. Są także śladem ewolucji jego przodków. Ale patrząc na geny jednego osobnika (lub nawet różnych osobników jednego gatunku), widać tylko niewielki fragment tej historii. Dokładniej – widać geny, które utrzymały się w tej konkretnej linii ewolucyjnej.

Geny mogą powstawać i ginąć. Nowe geny powstają nieustannie w wyniku mutacji. Mogą to być małe mutacje punktowe, niejako zmiany pojedynczych liter w słowach genetycznego alfabetu. Mogą to być duplikacje całych genów (wyobraźcie to sobie jako swoiste copy-paste, w którym fragment genomu jest kopiowany i wklejany gdzie indziej), a nawet duplikacje całych genomów, gdy w wyniku błędów w podziale komórkowym, potomne komórki dziedziczą dwa razy więcej genów. Geny mogą także ginąć, gdy w wyniku zjawiska zwanego delecją kasowane są fragmenty genomu.

Wszystkie te zjawiska zachodziły w ewolucji roślin, a dzięki Amborella mamy w nie znacznie lepszy wgląd. Jak wspomniałem, Amborella stanowi grupę siostrzaną wszystkich innych roślin. Oznacza to na przykład, że jeśli stwierdzimy, że jakiś gen występuje u Amborella i niektórych innych roślin kwiatowych, to prawdopodobnie występował u wspólnego przodka wszystkich żyjących dzisiaj roślin kwiatowych. Oznacza to też, że te rośliny kwiatowe, które nie posiadają tego genu, musiały go utracić, a nie, że ich przodkowie nigdy ich nie mieli. W ten sposób porównania genów różnych roślin kwiatowych z genami Amborella pozwala skutecznie odtwarzać ewolucję roślin.

Wiemy na przykład, że w ewolucji roślin zachodziły co najmniej trzy duplikacje całych genomów. Dwie z nich zaszły już u roślin kwiatowych, ale nie byliśmy pewni kiedy. Jak się okazuje, co wiemy właśnie z badań nad genomem Amborella, musiało to nastąpić u zarania istnienia roślin kwiatowych. Sądzi się nawet, że to ta duplikacja w ogóle dała początek roślinom kwiatowym.

Geny do użycia

Skąd ten pomysł? Duplikacja genomu oznacza, że roślina posiada co najmniej dwie kopie każdego genu. A to znaczy, ze może z nimi niejako eksperymentować (nie muszę chyba tłumaczyć, że to metafora na nazwanie długotrwałych w skali ludzkiej procesów ewolucyjnych, które ani nie są świadome, ani nie zachodzą u konkretnych roślin, tylko w kolejnych, mutujących i poddanych selekcji darwinowskiej pokoleniach?).

Mutacje w takich genach są potencjalnie mniej szkodliwe (wszak zawsze istnieje kopia zapasowa), stwarzają więc przestrzeń do łatwiejszego powstawania nowych wariantów genów i nowych wynikłych z nich cech. Uważa się, że duplikacja całego genomu jaka zaszła u zarania istnienia roślin kwiatowych, dostarczyła materiału genetycznego, który spożytkowany został, w wyniku mutacji i selekcji użytecznych wariantów mutacji, do wytworzenia molekularnego oprzyrządowania potrzebnego do kontroli tworzenia i rozwoju kwiatów.

Naturalne GMO (kolejne do kolekcji)

Uwaga – to nie wszystko. Amborella skrywała w zanadrzu jeszcze jedną niespodziankę, którą odsłoniła dopiero niedawno. Opublikowane pod koniec zeszłego roku wyniki badań pokazują, że roślina ta wchłonęła liczne genomy mitochondrialne innych gatunków, często ewolucyjnie dość odległych.

Nie wiecie co to genom mitochondrialny? Zaraz wytłumaczę. Mitochondria to organelle komórkowe (czyli struktury we wnętrzu komórki), które zajmują się produkcją energii. Tak naprawdę są to dalecy potomkowie bakterii, które miliardy lat temu wniknęły do komórek będących przodkami pierwotniaków, grzybów, zwierząt i roślin.

Grafika (zmodyfikowana): Kelvinsong, CC BY-SA 3.0.

Grafika (zmodyfikowana): KelvinsongCC BY-SA 3.0.

Bakterie te, jak wszystkie bakterie, miały własne genomy. Resztki tych genomów do dzisiaj istnieją wewnątrz mitochondriów jako genomy mitochondrialne (komórki zawierają oczywiście także znacznie większy genom jądrowy zbudowany z dużych chromosomów). Ich badania są niezwykle istotne z punktu widzenia rozszyfrowywania ewolucji organizmów, gdyż u wielu z nich mitochondria dziedziczone są jedynie od matek, podczas gdy jądra komórkowe i zawarte w nich genomy powstają z połączenia jąder i genomów pochodzących od obojga rodziców (słynna mitochondrialna Ewa zawdzięcza swoją nazwę właśnie temu, że zidentyfikowano ją badając genom mitochondrialny ludzi).

Genomy mitochondrialne ewoluują inaczej niż genomy jądrowe. W efekcie dostarczają innego zestawu informacji niż te, które otrzymujemy z badań i porównywania genomów jądrowych.

Tak więc wiemy, że Amborella podkradała fragmenty genomów innych organizmów. Jakie to organizmy? Glony, mszaki i inne rośliny nasienne:

Anatomia genomu

Przyjrzyjmy się genomowi mitochondrialnemu Amborella bliżej. Genom mitochondrialny ludzi jest dość mały (składa się z jednej, kolistej cząsteczki DNA mającej długość około 15 tysięcy par zasad, czyli liter kodu DNA). Mitochondria Amborella zawierają tymczasem aż pięć różnych cząsteczek DNA, najmniejsza z nich ma, bagatela, ponad 100 tysięcy par zasad długości, największa zaś ponad trzy miliony.

Co konkretnie znajduje się w tej masie genów i pseudogenów (czyli genów, które uległy dezaktywacji w wyniku nagromadzonych mutacji)? Oprócz własnego genomu mitochondrialnego, Amborella zawiera ilościowy ekwiwalent sześciu innych genomów.

Wśród nich znajdują się cztery fragmenty genomu mitochondrialnego mszaków. Ich analiza pokazała, że to tak naprawdę pokawałkowany jeden cały genom mszaka. To znaczy, że kiedyś jacyś przodkowie Amborella, zupełnie naturalnie i bez współudziału Monsanto i innych demonicznych sił, wbudowali w swój genom mitochondrialny cały obcy genom mitochondrialny mszaka, rośliny tak ewolucyjnie oddalonej, że jej wspólny przodek z Amborella żył kilkaset milionów lat temu.

Analogicznie, analiza genów właściwych roślinom nasiennym wskazała, że więcej tych genów Amborella ukradła innym gatunkom, niż posiada własnych. Jeśli zaś chodzi o genomy skradzione glonom, to zidentyfikowano trzy takowe (podkreślam, mowa o całych genomach, nie trzech genach).

Przypadek?

Zastanawiacie się pewnie, czy Amborella jest wyjątkowa jeśli chodzi o taki horyzontalny transfer genów? Tak i nie. Nie jest, gdyż transfer taki obserwowany był już często. Najbardziej efektowny przykład to zapewne wrotki, małe, często bezpłciowo się rozmnażające zwierzęta, które nie tylko łatwo włączają geny innych organizmów, ale najwyraźniej naprawdę z nich korzystają (pisałem o nich dawno temu).

Ale pod innym względem Amborella jest wyjątkowa, gdyż to jedyny znany przykład, gdy tak wiele genów (całe genomy mitochondrialne!) zostało naturalnie przeniesionych z jednego organizmu do drugiego. Jak do tego doszło? Uczeni uważają, że musiał zachodzić bezpośredni kontakt między komórkami, z których przenoszone były geny, a komórkami Amborella.

Mógł on mieć miejsce na przykład po zranieniu rośliny. W ten sposób nawet całe mitochondria obcych organizmów mogłyby się dostać do wnętrza komórek Amborella. Kolejnym krokiem byłaby fuzja obcego mitochondrium i mitochondrium Amborella, po której połączeniu uległyby ich genomy. I gotowe – naturalne GMO jak sama natura chciała.

Że to możliwe, wskazują warunki ekologiczne, w których żyje Amborella. Jest ona częścią gęstego poszycia, gdzie jedne rośliny rosną tuż obok innych (albo zgoła na innych, tak jak mszaki, które mogą porastać pnie większych roślin). W takich warunkach nietrudno o bezposredni kontakt.

Tak więc – czyż to nie jest naprawdę niesamowita roślina? Najpierw okazuje się być przedstawicielem wyjątkowo starej linii ewolucyjnej, a potem okazuje się najbardziej szalonym, naturalnie powstałym organizmem transgenicznym, jaki znamy.

Możecie polubić fanpage tego bloga na Facebooku lub śledzić autora na Twitterze.

Foto w nagłówku: Scott Zona, użyto i zmodyfikowano na licencji CC BY 2.0.

Skoczogonki

Skoczogonki

Mit złotego klucza

Mit złotego klucza