Massive blokke af gener - nedarvet sammen 'plug and play'-stil - kan spille en større rolle i evolutionær tilpasning end tidligere antaget, ifølge ny forskning i Nature.
Biologer identificerede 37 af disse såkaldte 'supergener' i vilde solsikkepopulationer og fandt ud af, at de styrer den modulære overførsel af en lang række træk, der er vigtige for tilpasning til lokale levesteder. Disse omfatter frøstørrelse, tidspunkt for blomstring samt evnen til at modstå miljøbelastninger såsom tørke eller begrænset tilgængelighed af næringsstoffer, blandt mange andre.
"Vi var ret overraskede," siger genetiker Marco Todesco ved University of British Columbia (UBC). "Der er tidligere blevet rapporteret om tilfælde, hvor individuelle supergener kontrollerede adaptive træk, men det var ikke klart, om de var reglen eller blot et lille antal mærkelige undtagelser. Det, der fandtes, er, at supergener har en gennemgående rolle i tilpasningen, og det kan virkelig være det. massiv."
Det største af de supergener, der er identificeret i undersøgelsen, består af mere end 100 millioner basepar (større end mange menneskelige kromosomer) og 1.819 gener.
Undersøgelsen kunne hjælpe med at løse et spørgsmål, som Darwins teori om naturlig udvælgelse efterlades ubesvaret - nemlig hvordan populationer af organismer, der lever side om side og parrer sig med hinanden, stadig er i stand til at tilpasse unikke egenskaber og divergere til separate art.
"Oprindeligt troede evolutionsbiologer, at geografisk isolation mellem populationer var påkrævet for, at de kunne differentiere sig til økologiske racer eller separate arter," siger UBC-evolutionsbiolog Loren Rieseberg."Men nyere forskning viser, at befolkninger, der eksisterer side om side, kan og gør, differentiere."
"De egenskaber, der styrer en sådan differentiering, ser ofte ud til at være nedarvet sammen som supergener på trods af genetisk udveksling med ikke-tilpassede populationer, der er i nærheden. I mange tilfælde er planter i stand til at tilpasse sig et nyt miljø ved at låne et supergen eller to fra en beslægtet art, der allerede er tilpasset."
Eksempler på levesteder, hvor supergener spillede en stor rolle i tilpasningen af solsikkearter, omfatter Texas-kystsletten, sandklitter og kystbarriereøer i Den Mexicanske Golf. I sidstnævnte tilfælde kontrollerer et 30 millioner basepar langt supergen en forskel i blomstringstiden på mere end to og en halv måned mellem solsikker tilpasset Texas' barriereøer og kystsletter. Den tidligt-blomstrende version af supergenet fundet i barriereø-populationerne kom oprindeligt fra den almindelige solsikke.
I nogle tilfælde kan donorarten for supergenet være uddød."Det, vi tror, kunne være sket, er, at en art ankommer til et nyt habitat, 'stjæler' adaptive supergener fra en lokal beslægtet art og derefter erstatter den art," siger Todesco. "Vi kunne kalde dette et 'spøgelsessupergen', det vedvarende bidrag fra en art, der ikke længere eksisterer."
På grund af deres mangfoldighed og evne til også at tilpasse sig ugæstfrie levesteder, er vilde solsikker blevet et modelsystem for evolutionære undersøgelser.
"Genome BC har investeret i dette arbejde siden 2009," siger Lisey Mascarenhas, Sector Director, Agrifood and Natural Resources hos Genome BC. "En konvergens af visioner, strategiske investeringer og videnskabeligt lederskab har hjulpet med at drive innovationer inden for solsikkegenomisk forskning, som vil have betydelige konsekvenser for fødevaresikkerheden og fortsætte med at tiltrække globale investeringer til BC."
Forskerne sekventerede genomerne fra mere end 1.500 planter fra tre vilde solsikkearter: den almindelige solsikke (Helianthus annuus), præriesolsikke (Helianthus petiolaris) og sølvbladsolsikke (Helianthus argophyllus). De så på sammenhænge mellem genetiske varianter og mere end 80 egenskaber, som de overvågede gennem planternes vækst, såvel som med jorden og klimaet i deres oprindelsespopulationer. Resultatet er den hidtil største og mest omfattende demonstration af, at strukturelle varianter - omlejringer af kromosomstrukturer, der i høj grad er ansvarlige for at skabe supergenerne i første omgang - spiller en grundlæggende og udbredt rolle i tilpasning og artsdannelse.
Ud over supergenerne identificerede undersøgelsen også adskillige uafhængige gener, der ser ud til at give modstand mod de miljømæssige belastninger, som vilde solsikker står over for, herunder tørke, varme og lavt næringsstofstress. Disse uafhængige gener vil være uvurderlige for solsikkeopdrættere, da de udvikler kultivarer, der kan tolerere de mere ekstreme vækstbetingelser forudsagt under fremtidige klimaændringer. Fra et landbrugsmæssigt synspunkt tilbyder de mere fleksibilitet end supergenerne.
"Fordi de fungerer som en pakke, vil det at introducere et supergen i en dyrket solsikke betyde, at man overfører både de gavnlige og skadelige egenskaber forbundet med den," siger Todesco."Mens supergener indeholder adskillige gener, der kunne være gavnlige i et landbrugsmiljø, indeholder de også hundredvis af andre gener, hvoraf nogle måske ikke er så gavnlige i en afgrøde. For eksempel ved at reducere udbyttet eller ændre olieindholdet i frø."
