En ny storskalig analys av relationerna mellan medlemmar av den största underfamiljen av gräs, som inkluderar vete och korn, avslöjar gendupliceringshändelser som bidrog till växternas anpassning till kallare temperaturer. Dessa anpassningar gjorde det möjligt för gräset att frodas i tempererade klimat och har utnyttjats av människor för att utöka utbudet och säsongen för att odla viktiga växtväxter. En artikel som beskriver studien, ledd av forskare från Penn State, dyker upp online i tidskriften Molecular Biology and Evolution .

"Gräs är den femte största familjen av växter med över 11 000 arter", säger Hong Ma, Dorothy Foehr Huck och J. Lloyd Huck ordförande för växtreproduktiv utveckling och evolution och professor i biologi vid Penn State och ledaren för forskargruppen. "De växer naturligt på alla sju kontinenter, inklusive en av två inhemska blommande växter på Antarktis. Många medlemmar av den största underfamiljen av gräs, känd som Pooideae, har anpassat sig för att växa i tempererade miljöer. För att undersöka potentiella faktorer som ledde till denna coola anpassning , gjorde vi en analys av släktträdet Pooideae med hjälp av en stor uppsättning kärngener."

Forskargruppen jämförde transkriptom – DNA-sekvenser av alla gener som uttrycks av en organism – från 157 Pooideae-arter som täcker nästan alla större underavdelningar inom underfamiljen.

"Den här gruppen av gräs började expandera för cirka 50 miljoner år sedan när jorden var i en kylningsperiod", sa Ma. "Jorden var mycket varmare då, men växterna och djuren var också mycket olika. Dessa gräs kunde blomstra eftersom de kunde anpassa sig till den föränderliga miljön. Alla de större underavdelningarna inom underfamiljen - kallade stammar - etablerades i första delen av denna avkylningsperiod. Senare skedde ytterligare en stor expansion som ledde till stor diversifiering på artnivå. Dagens framgång för denna underfamilj med cirka 4 000 arter, gynnades av dess förmåga att anpassa sig när jorden svalnade."

Hur kunde dessa gräs anpassa sig så väl till den föränderliga miljön? De utvecklade egenskaper bättre lämpade för kallare temperaturer, inklusive blommor med olika former och storlekar, köldberoende blomning och molekylära anpassningar som minskar cellulär frysning. Alla dessa förändringar är beroende av genetisk innovation.

En viktig källa till genetisk innovation är genduplicering. Genduplicering kan uppstå när fel under genomreplikering eller rekombination resulterar i extra kopior av gener. Dessa extra kopior är ofta funktionellt överflödiga i förhållande till de ursprungliga kopiorna av genen och kan därför tolerera mutationer mer fritt. Ofta är de muterade till den grad att de förlorar sin funktion tillsammans, men ibland kan dessa mutationer leda till funktionella innovationer.

"Vår studie av relationerna mellan arterna i denna underfamilj av gräs gjorde det möjligt för oss att spåra adaptiva förändringar i förhållande till geologiska och klimatförändringar," sa Ma. "Det gjorde det också möjligt för oss att identifiera gendupliceringar som inträffade över tiden och sannolikt stödde denna anpassning."

Ett exempel på genduplicering som sannolikt hjälpte till med den kalla anpassningen av dessa gräs är CBF-gener. Molekylära studier har visat en roll för CBF och relaterade gener i en växts förmåga att tolerera frysning. Forskarna visar att de tidigaste medlemmarna av underfamiljen Pooideae sannolikt hade tre kopior av dessa gener. Modernt korn har 20 och vete har 37. Ett annat exempel är AP1/FUL-generna som är involverade i vernalisering – växternas förmåga att klara av säsongsförändringar och långa, kalla vintrar och som har upplevt liknande dubbletter i Pooideae.

"Vi kan spåra när dessa dupliceringshändelser inträffade i Pooideae-släktträdet och associera dem med miljöförändringar för att bättre förstå processen för kylanpassning i dessa gräs," sa Ma. "När vi nu upplever ännu en period av global miljöförändring kan det vara viktigare än någonsin att förstå hur växter anpassar sig till denna typ av förändring."