En gang imellem, i løbet af livets historie, udvikler der sig et nyt træk, der fører til en eksplosion af mangfoldighed i en gruppe af organismer. Tag for eksempel vinger. Hver gruppe af dyr, der har udviklet dem, er spundet ud til et væld af forskellige arter - fugle, flagermus, insekter og pterosaurer. Forskere kalder disse "nøgleinnovationer."
Forståelse af udviklingen af nøgleinnovationer er afgørende for at forstå udviklingen af den fantastiske række af organismer på Jorden. De fleste af disse skete dybt i en fjern fortid, hvilket gjorde dem vanskelige at studere fra et genetisk perspektiv. Heldigvis har en gruppe planter fået netop sådan en egenskab i de sidste par millioner år.
Columbines, med deres elegante nektarsporer, lover videnskabsmænd en mulighed for at undersøge de genetiske ændringer, der understøtter en nøgleinnovation. Efter meget forskning har UC Santa Barbara-professor Scott Hodges, forskningsassistent Evangeline Ballerini og deres medforfattere ved Harvard University identificeret et gen, der er afgørende for udviklingen af disse strukturer. Og efter deres viden er dette blandt de første nøgleinnovationer, for hvilke et kritisk udviklingsgen er blevet identificeret. Deres resultater vises i tidsskriftet PNAS.
Forskerne opkaldte genet efter Gregg Popovich, cheftræner for San Antonio Spurs basketballhold. "Dette gen er en transkriptionsfaktor, hvilket betyder, at det kontrollerer ansporeudvikling i akelejer ved at regulere aktiviteten af andre gener," forklarede Ballerini. "Så jeg valgte navnet POPOVICH, fordi Popovich som træner kontrollerer San Antonio Spurs udvikling på en måde ved at regulere sine spilleres aktivitet."
Udviklingen af sporer hos akelejers forfædre ser ud til at have ført til hurtig ekspansion i slægten. Omkring 70 arter har udviklet sig i løbet af de sidste 5 til 7 millioner år sammenlignet med dens sporløse søsterslægt, som kun tæller fire arter blandt sine medlemmer.
Og akelejer er ikke de eneste blomster med sporer. Egenskaben udviklede sig uafhængigt i mange forskellige planter, herunder nasturtiums, larkspurs og impatiens. "Og i hver af disse grupper har dem, der har sporer, langt flere arter end deres nærmeste slægtninge, der ikke har sporer," sagde Hodges.
"Vi tror, at diversitet er forbundet med udviklingen af denne spore, fordi sporen producerer nektar, som tiltrækker dyrebestøvere," sagde Ballerini. Ændring af sporens længde eller form ændrer de dyr, der kan bestøve blomsten. "Bier flytter kun pollen mellem biblomster, kolibrier flytter kun pollen mellem kolibriblomster, så du udveksler ikke gener mellem de to forskellige populationer." Til sidst kan de to opdeles i forskellige arter.
Spørgsmålet, forskerne forsøgte at besvare, var, hvordan innovationer som disse udvikler sig i første omgang. "Hvis vi kan finde gener, der er vigtige i udviklingen af en nøgleinnovation, vil det hjælpe os med at forstå denne form for proces," sagde Hodges.
"I de fleste af disse tilfælde - som i fløjeksemplet med fugle, flagermus og insekter - udviklede de sig så længe siden, at det er svært at finde et bestemt gen, der var afgørende for at udvikle denne egenskab," tilføjede han. "Her har vi en ret ny oprindelse af en nøgleinnovation, kun for 5 til 7 millioner år siden, og det er et ret simpelt træk, så det er lidt mere ligetil."
Finder POPOVICH
Siden akelejer udviklede sig så for nylig, kan de fleste af dem danne frugtbare hybrider med hinanden. I 1950'erne og 60'erne krydsede en polsk genetiker en sporløs art - passende navngivet den sporløse akeleje - med dens ansporede fætre. Hun fandt ud af, at i den første generation af afkom havde alle sporer, men selvbestøvning af disse gav en anden generation, hvor sporløshed dukkede op igen i en fjerdedel af planterne.
Det forhold var afgørende for Hodges og Ballerinis arbejde omkring et halvt århundrede senere. Denne simple fraktion antydede, at et enkelt gen styrede udviklingen af sporer. Men akelejer har omkring 30.000 gener, og kun ét var det gen, de ledte efter.
I sin forgængers fodspor krydsede Hodges også den spurløse akeleje med en ansporet art og selvbestøvede derefter afkommet. Men i modsætning til i det tidligere eksperiment havde Ballerini og Hodges nu værktøjerne til at søge i planternes genetiske kode.
Ballerini sekventerede genomet af hver af de næsten 300 anden generationsplanter og ledte efter tilfælde, hvor de sporløse planter havde arvet to kopier fra deres sporløse bedsteforælder. Dette indsnævrede søgningen til omkring 1.100 gener på et af planternes kromosomer.
Alligevel er 1.100 gener meget at sortere i. "Der var ingen garanti for, at disse metoder ville føre os til det gen, vi ledte efter," sagde Ballerini. "Der var bestemt en del arbejde, der gik i alle eksperimenterne og analyserne, men til sidst var der også lidt held."
Ballerini undersøgte ekspressionen af gener i fem stadier af tidlig udvikling af kronblade i den spurløse akeleje og tre andre ansporede arter. Hun sekventerede alle de gener, der blev tændt i hvert trin, og ledte efter konsekvente forskelle mellem de ansporede og ansporede planter. Til sidst, med input fra en af hendes samarbejdspartnere på Harvard, mistænkte Ballerini, at hun havde identificeret det rigtige gen. Det var altid slået fra i den ansporede art, tændt i den ansporede art og var et af de 1.100 gener, der tidligere blev identificeret som associeret med ansporede blomster i den genetiske krydsning. Nu var det tid til at teste hendes hypotese.
Hun brugte en genetisk modificeret virus til at slå ekspressionen af det pågældende gen ned såvel som et gen, der er afgørende for at producere rødt pigment. På denne måde kunne de se, hvilke kronblade der var påvirket blot ved at se på farven.
Hvor som helst POPOVICH blev sat på sidelinjen, udviklede blomsterne små sporer. Men sporlængden afhænger både af antallet og størrelsen af celler. Så forskerne arbejdede sammen med samarbejdspartnere for at tælle antallet og måle længden af hver celle, der udgør disse diminutive udløbere.
"De længere udløbere havde flere celler, og de kortere udløbere havde færre celler," bemærkede Hodges. "Så genet må have virket ved at påvirke, hvor mange celler der blev produceret."
Ballerini kan huske, at hun sad på sit kontor efter at have afsluttet sine afsluttende analyser. Hun begyndte at smide potentielle gennavne ud til kandidatstuderende Zac Cabin, en anden sportsentusiast. "På samme tid vendte Zac og jeg mig mod hinanden og sagde begge 'POPOVICH!'" huskede hun. Navnet så ud til at passe perfekt. "Og det åbner muligheden for, at hvis vi identificerer andre gener, der er i spil i ansporeudviklingen, kan vi opkalde dem efter nogle af spillerne på Spurs."
En vej til nye opdagelser
Selv om det bestemt er en præstation at identificere POPOVICH, ligger den sande værdi af opdagelsen i, hvad den afslører om udviklingen af nøgleinnovationer. Før dette arbejde lavede ingen af de plantegrupper, der havde velkendte genomer, også sporer. "Vi havde ingen idé om, hvor vi skulle starte," sagde Hodges. "Denne opdagelse giver os fodfæste."
"Når vi først har identificeret et gen - som dette gen, der ser ud til at være nøglen i processen med at danne sporer - så kan vi begynde at finde ud af alle komponenterne," tilføjede han. Holdet kan nu begynde at undersøge, hvilke gener POPOVICH regulerer, og hvilke gener der regulerer POPOVICH. "Dette er et sted at begynde at forstå hele systemet."
Selv om forskerne ikke ved, hvordan POPOVICH fungerer i andre grupper af planter, ser det ud til at have indflydelse på antallet af småblade, der vokser på burkløver. Columbiner udtrykker også genet i deres blade; måske blev det rekrutteret fra bladene til kronbladsudvikling, foreslog Ballerini.
Romanatiseringer dukker ikke op ud af ingenting, forklarede hun. "Når du udvikler en ny struktur, udvikler du norm alt ikke et helt nyt gen." Generelt genbruger organismer eller tilføjer et formål til et eksisterende gen.
Forfatterne er også interesserede i at identificere gener involveret i anden fase af ansporedannelse: forlængelsen af cellerne i ansporekoppen.
"Det er ting, vi vil gøre nu, hvor vi har identificeret dette gen," sagde Hodges. "Og da det er en transkriptionsfaktor, skal det have særlige gener, som det påvirker. Det næste logiske skridt ville være at identificere målene for dette gen, og det ville fortælle os meget mere om, hvordan det fungerer."
Forskerne udtrykte deres taknemmelighed over for Harvey Karp, som generøst finansierede Karp Discovery Award, der gjorde deres forskning mulig. "Vi kunne virkelig ikke have gjort dette projekt uden det," sagde Ballerini.
