Väike DNA tükk, millel on suur mõju lehe kuju suhtes

ZEITGEIST: MOVING FORWARD | OFFICIAL RELEASE | 2011 (Juuli 2019).

Anonim

Miljonid aastat tagasi tegid mõned sinepipuude taimed ülemineku lihtsatest lehtedest keerukatesse lehtedesse läbi kahe väikese tweaksi ühe geeni. Üks väike võimendusjärjestuse küünestus andis geenile lehes uue ekspressiooni domeeni. Paradoksaalne asjaolu, et teine ​​näpistamine optimeeris selle funktsiooni selles uues domeenis. Kuid koos need muutused põhjustasid sobivad taimed koos keeruliste lehtedega.

See on sel nädalal avaldatud uuringutes " Geenid ja areng" avaldatud. Artiklis, mis tugineb Max Plancki sordiaretusuuringute instituudi (MPIPZ) põhjal tehtud tööle, on näidatud spetsiifiline geneetiline mehhanism, mille abil sinepikaste taimed kujutasid pigem keerukat kui lihtsat lehe kuju.

Me teame, et DNA kujundab elavate asjade füüsilist vormi. Kuid ikkagi on palju, et me ei tea, kuidas see juhtub. Tegelikult on üks bioloogia põhiprobleeme mõistmine geneetilisi muutusi, mis kujundavad meie loodusmaailma mitmekesisust. Princetoni Ülikooli integreeriva genoomika instituudi Lewis-Sigleri direktor Mike Levine selgitab, et "geenide dubleerimist ja kõrvalekalde peetakse üldiselt evolutsioonimuutuste peamiseks mehhanismiks". Ta märkis, et selle uue uuringu jaoks on põnev, et kui dubleeritud geenid erinevad või "subfunktsionaliseerivad", võib see kaasa tuua nii geeniekspressiooni kui ka valgu funktsiooni uued mudelid, kuid selliseid "ühendatud subfunktsionaliseerimisi" on üllatuslikult vähe.

Üks parimaid viise, kuidas teadlased peavad uurima, kuidas asjad aja jooksul muutuvad, on vaadelda sarnaste liikide vahelisi erinevusi. Kahe sugulasega sinepide perekonnas, Thale cressis (Arabidopsis thaliana) ja karvassuhtes (Cardamine hirsuta) on lehed erineva kujuga - tavaline lehe kerge lehed on väga erinevad karvase kibuvitsa keerulistest lehtedest. Lehed on seal, kus toimub fotosüntees (ja seega süsinikdioksiidi sidumine), mis tähendab, et lehed on taimede edukusele ökoloogiliselt ja füsioloogiliselt olulised.

MPIPZi teadlased olid juba avastanud, et sinepia taimede lehe kuju varieerus oli tähtis, et homeoboxi geen, mida nimetatakse RCO-le, oli oluline lehtede kuju varieerumine. RCO geen (selle lühend tähistab väiksemat keerukust) leidub karvases bittercressis, kus selle ülesandeks on lehe jagamine erinevatesse infolehtedesse, lehtede marginaale kasvav kohalikult leevendav, moodustades keeruka kuju. RCO tõusis sinepitüüpkonda juba olemasoleva geeni, LMI1, dubleerimise kaudu. Teadlased leidsid, et genoomis kasvas või kaotas RCO-d ja kas keerukas lehe kuju kasvas või kaotas. Näiteks on RCO geen kaotatud ja sellel taimel on lihtsad lehed; ja kui teadlased lisasid RCO kaneeli geneetilise muundamise teel, kasvas taime pigem keeruliste kui lihtsate lehtedena.

Selles praeguses teadusuuringus tegi teadlased kindlaks väikese DNA rõnga, mida nimetatakse võimendajana, mistõttu on keeruline lehtede valmistamiseks vajalik RCO, mitte LMI1. MPIPZi võrdleva arengu ja geneetika osakonna direktor Miltos Tsingu selgitab, et see võimendaja "arenes, et iga geen lülitataks, et saada valku täiesti erinevates lehtede LMI1 piirkondades tipu ja RCO lehe aluses. " Teadlased leidsid, et kui nad asendasid selle võimendaja LMI1 geenis koos RCO järjestusega, oli Thale Cress (millel puudub RCO geen) pigem keeruline kui lihtne lehed, nagu karvane bittercress. Nad suutsid järeldada, et RCO võimendaja saavutamine oli oluline samm keeruliste lehtede kuju saamiseks karvase bittercressi evolutsioonilises ajaloos.

RCO ja LMI1 geenide poolt genereeritud valgud on tugevad kasvu repressorid ja seega on taim tervikuna probleemiks: liiga palju neist toodab väiketootjaid. Lisaks ei ole need valgud täielikult omavahel asendatavad - LMI1 võib täita RCO funktsiooni, et suurendada lehtede keerukust, kuid lehtede suuruse vähendamise kulu. Tsingu jõuab järeldusele, et "on võime muuta kuju ja potentsiaalselt kahjulikku mõju kasvule ja arengule".

Kuid teadlased avastasid, et üks aminohappe muutus, mis vähendas RCO valgu stabiilsust võrreldes LMI1-ga, suurendas maksimaalse tasakaalu lehtede suurenenud keerukuse ja hea lehe suuruse vahel. Võrreldes kiirust, millega RCO ja LMI1 geenid arenesid, võisid teadlased järeldada, et RCO DNA järjestustega toimunud loomulik valik toimib nii kodeeriva järjestuse (mis toodab RCO valku) kui ka seda reguleerivat võimendajat)

Teadlased leidsid, et RCO-l on positiivne mõju süsinikdioksiidi fikseerimisele fotosünteesis ja taime seemne saagikus, mis tähendab, et see avaldab positiivset mõju taime eduvõimalustele ja ellujäämisele.

Sünteetiliste taimede evolutsiooni ajaloos pole võimatu teada, millised keskkonnatingimused oleksid eelistanud keerulisi lehesid lihtsatena. Teadlased väidavad, et see võib olla seotud temperatuuri muutustega, mis soodustas erinevusi keerukate lehtede valguse, gaasivahetuse või transpordi vee vallas, kuid tegelikku teadmisi pole kindel. Siiski on selge, et RCO ja selle kompleksne lehtede kuju mõjutab mõningaid asjade tähtsust taime jõudluse jaoks, mis aitab mõista, miks neid DNA järjestusi RCO-s säilitatakse loodusliku valiku abil.

Evolutsioonilisest seisukohast on selle uuringu jaoks kõige huvitavam see, et see näitab, kuidas RCO võimendaja töötab kõige paremini taime jaoks, muutes RCO-i geeni tervikuna halvemini; see tähendab, et evolutsioon muudab taime geneetilist struktuuri muutusi ja nõrgendab ka nende muutuste võimalikke negatiivseid tagajärgi. Levine ütleb, et see taimse homeoboxi geeni reguleeritud ja valgu funktsiooni vaheline muutus pakub õpikujoonelist näidet arengu kahekordse subfunktsionaalsuse kohta ja selle põhimõte kehtib ka loomsete süsteemide morfoloogilise mitmekesisuse ja keerukuse mitmete näidete kohta. "

See uurimus pakub teistele teadlastele ja meile kõigile olulist teket sellest, kuidas evolutsiooniline muutus juhtub; kuidas geneetilised muutused, üle evolutsioonilise ajaskaala, kujundasid elu mitmekesisust maa peal.

menu
menu