Forskare vid universitetet i Wien, tillsammans med medarbetare från Frankrike, Tyskland, Schweiz och USA, har uppnått ett genombrott för att förstå hur genetiska drivkrafter påverkar utvecklingen av en specifik fotosyntesmekanism i Tillandsia (luftväxter). Detta belyser de komplexa handlingar som orsakar växtanpassning och ekologisk mångfald. Resultaten av deras studie publiceras i Plant Cell.
Vissa växtarter har utvecklat en vattenbesparande egenskap som kallas Crassulacean Acid Metabolism (CAM). CAM-växter som de flesta Tillandsia-arter – det mest artrika släktet i ananasfamiljen (Bromeliaceae) – optimerar sin vattenanvändningseffektivitet:medan andra växter normalt öppnar sina stomata (små porer i bladen) under dagen för att absorbera koldioxid för fotosyntes , CAM-växter gör detta på natten och lagrar CO2 bort för senare användning, vilket hjälper dem att överleva med mindre vatten.
Denna egenskap utvecklades oberoende flera gånger över växtriket. Utvecklingen av den komplexa genetiska grunden för CAM har dock förblivit svårfångad, vilket gör den till ett fokus för forskning inom evolutionär biologi.
I denna studie fokuserade forskargruppen på ett Tillandsia-artpar som uppvisar divergerande former av fotosyntes—CAM vs. C3—vilket betyder att C3-arterna saknar den specialiserade anpassningen till torra förhållanden. Genom att använda avancerade tekniker för att studera växternas genetik och biokemi – t.ex. analyser av genarrangemang, molekyl- och genfamiljens utveckling, temporalt differentiellt genuttryck och metaboliter – upptäckte de att förändringar i genreglering främst är ansvariga för genomiska mekanismer som driver CAM-utvecklingen i Tillandsia.
Clara Groot Crego, Institutionen för botanik och biologisk mångfaldsforskning vid universitetet i Wien och huvudförfattare till studien, förklarar, "Våra resultat visar att även om storskaliga förändringar har påverkat Tillandsias genom som andra växter, sker justeringen av hur fotosyntesen fungerar främst genom hur gener regleras – inte genom att ändra sekvenserna som kodar för proteiner."
Viktiga insikter från studien inkluderar identifieringen av CAM-relaterade genfamiljer som genomgår accelererad expansion i CAM-arter. Detta belyser den avgörande roll genfamiljens evolution spelar för att generera ny variation som driver CAM-evolution.
In i nya nischer genom upprepad utveckling
"CAM har upprepade gånger utvecklats i olika Tillandsia-arter och har accelererat deras förmåga att kolonisera nya ekologiska nischer, vilket fungerar som en viktig drivkraft för den skenande artbildningen som observerats inom denna grupp", säger Ovidiu Paun, Institutionen för botanik och biologisk mångfaldsforskning vid Wiens universitet och rektor. utredare av studien.
"Vår forskning belyser den potentiella betydelsen av genetisk innovation, bortom bara förändringar av baspar, för att driva ekologisk diversifiering," tillägger Paun.
Thibault Leroy, huvudforskare från INRAE Toulouse, Frankrike, betonar att denna studie har implikationer utöver grundläggande vetenskap. "Att förstå hur CAM utvecklades kan hjälpa till att utveckla strategier för att göra grödor mer motståndskraftiga mot vattenbrist och hantera klimatförändringar."
Forskningen kommer att utvidgas till fler arter av denna och andra växtgrupper inom ramen för ett nyligen samarbetsprojekt.
Mer information: Clara Groot Crego et al, CAM-evolution är associerad med genfamiljens expansion i en explosiv bromeliadstrålning, The Plant Cell (2024). DOI:10.1093/plcell/koae130
Journalinformation: Plantcell
Tillhandahålls av universitetet i Wien
