Magyar kutató eredt Darwin „undok rejtélyének” nyomába

A Qubit a szabad és tájékozott magyar nyilvánosságért dolgozik. Segítsd a munkánkat!

A Föld növénytakarójának legnagyobb részét a zárvatermők alkotják. A földtörténeti léptékben későn, alig 120 millió évvel ezelőtt megjelent növénycsoport tagjai páratlan sokféleségű és változatosságú  egymástól jelentősen eltérő élőhelyhez alkalmazkodtak. Mára a növényeknek ez a több mint 300 ezer ismert fajból álló rendszertani törzse mind a hét kontinens flóráját meghatározza. A zárvatermőkre épül a világ mezőgazdasága, de az élelmezésen túl is kulcsfontosságú alapanyagokat biztosít ez a növénycsoport. 

Az evolúciós sikertörténetet azonban idáig legfeljebb részleteiben tudták megfejteni a növényi törzsfejlődés kutatói. A napokban jelent meg nyomtatásban is az American Journal of Botany folyóirat vaskos különszáma, amely a zárvatermőkkel (Angiospermae) foglalkozó legújabb növénybiológiai és -genetikai eredményeket szedte csokorba. A csucsor-, közismertebben a burgonyafélék (Solanaceae) evolúcióját az Edinburgh-i Királyi Botanikus Kert és a Helsinki Egyetem által koordinált nemzetközi kutatócsoport vizsgálta az elérhető legkorszerűbb módszerekkel

A nadragulyától a dohányon át a paradicsomig mintegy 2500 faj által alkotott rendszertani csoport eredettörténetét és rokonsági viszonyait új módszerekkel feltáró tanulmányról Poczai Péter, a Helsinki Egyetem múzeomikai kutatócsoportjának vezetője, a Finn Természettudományi Múzeum Szisztematika és Evolúciókutatási Programjának igazgatója számolt be a Qubitnek. 

A burgonyafélék (Solanaceae) családjába tartozó fajok: A) orvosi csucsor (Solanum laciniatum); B) csattanó maszlag (Datura stramonium); C) paradicsom (Solanum lycopersicum); D) Nolana humifusa; F) burgonya (Solanum tuberosum)Fotó: Deanna, Poczai, Carputo

Az evolúció undok rejtélye

„Charles Darwin a fosszíliák tanulmányozása során arra figyelt fel, hogy a zárvatermők hirtelen, szinte a semmiből bukkantak elő. Nem értette,  ezért »abominable mystery«-nek, azaz undok rejtélynek tartotta azt a folyamatot, ahogy szinte egy szempillantás alatt meghódították a világot, míg más nagy csoportok, például az emlősök, fokozatosan fejlődtek. Mai tudásunk alapján Darwinnal a zárvatermők egyik legősibb csoportja, a korábban kétszikűeknek nevezett növények egy szűk köre undokoskodhatott” – mondja Poczai. 

A Finnországban élő magyar növénybiológus szerint a rejtélyt egyes kutatók ugyan már megoldottnak tekintik, mondván, hogy bár nem kerültek elő eddig egyértelműen beazonosítható zárvatermő-leletek a kréta időszak előtti kőzetekből, kis csoportjuk régebb óta létezhetett az ősi ökoszisztémát uraló páfrányok és nyitvatermők között – valahogy úgy, ahogy a modern emlősök is hosszú ideig együtt éltek a dinoszauruszokkal, mielőtt a fauna domináns alkotóelemévé váltak. 

„A vita azonban még egyáltalán nem lefutott meccs a növénybiológiában. A mi kutatásunk persze nem Darwin rejtélyére ad megoldást, inkább azt bizonyítja, hogy egyes zárvatermők nagyon is rendelkeznek azokkal az evolúciós mintázatokkal, amik lehetővé tették hódításukat” – mondja Poczai. 

Kihívásos növénygenetika

A növénybiológusok sokáig úgy tartották, hogy azért sem tárható fel részleteiben a zárvatermők törzsfejlődése, mert kevés DNS-adat áll rendelkezésükre. „A kutatók az evolúciós törzsfák megalkotásához elsősorban a feltalálójáról elnevezett Sanger-féle szekvenálást használták kis számú gén vizsgálatához. Ez olyan, mintha egy országot úgy próbálnának megérteni, hogy csak a fővárosát látogatjuk meg. Ma már az újgenerációs szekvenálás a legtöbb laboratóriumban nagyrészt felváltotta ezt, de a legtöbb növényfaj tanulmányozásának költsége továbbra is csillagászati összeget jelent” – mondja Poczai. 

Ennek oka, hogy a növényi genomok a legösszetettebbek az összes földi élőlény közül. „Sok az ismétlődés, a jó minőségű DNS izolálása nehéz, a genomok bonyolult duplikációja és magas heterozigozitása továbbra is jelentős kihívás a növénygenetikában. Így azok a technológiák, amelyek más élőlényeknél alkalmazhatók a növények esetében szinte biztos, hogy nem működnek jól” – mondja a növénybiológus. 

A legígéretesebbnek a hibridizációs befogás (target capture) néven ismerté vált módszer látszott, amely csali (bait) molekulákat használ a DNS-információ kinyerésére. Ennek azonban Poczai szerint sokáig az volt hátránya, hogy minden alkalommal, amikor egy kutató evolúciós mintákat akart elemezni egy növénycsoportban, teljesen új csalikat kellett terveznie a genetikai információ kihalászásához, ami nagymértékben hátráltatta a növények evolúciós történetével kapcsolatos nagyszabású tanulmányok kidolgozását. Az American Journal of Botany mostani különszámában ismertetett eredményekhez vezető módszert végül a korábban hosszadalmas munkával megalkotott növényi genomok aprólékos összehasonlításával végül azért sikerült megalkotni. 

Az áttörést a fehérjéket kódoló DNS-szál mindkét végét szegélyező ütközőzónában (splash zone) elhelyezkedő régiók vizsgálata hozta. Ezek a kísérő régiók nem kódolnak aktívan fehérjéket, valójában még azt sem tudni, hogy pontosan mi lehet a funkciójuk. „Azt viszont tudjuk, hogy ezek a nem kódoló, gyakran szemétnek is nevezett régiók gyorsan mutálódnak” – mondja Poczai, aki munkatársaival ezen DNS-szakaszok segítségével már feltárhatta a növényfajok közötti kapcsolatokat és a genetikai sokféleség mintázatait.

Nem fa, hanem hálózat

Poczai kutatócsoportja az új módszert a burgonyafélék nagy és gazdaságilag fontos nemzetségre alkalmazta. „Ebbe a csoportba 1228 elfogadott faj tartozik, valamint számos jelentős kultúrnövény és vadon élő rokonaik, köztük a burgonya, a paradicsom, a padlizsán és legalább 24 kisebb kultúrnövényfaj, amelyeket a csoportom az elmúlt évtizedben aktívan kutatott” – mondja a növénybiológus. A vizsgálatok eredménye meglepő eredményt hozott. A kutatók a nem teljes törzsválogatás (incomplete lineage sorting, ILS) ritka esetére bukkantak. „Ilyenkor az ősgén-kópiák az időben visszafelé nézve nem tudnak összeolvadni egy közös ősi másolattá egészen addig, amíg a korábbi fajképződési események mélyebbé nem válnak. Más szavakkal, a leginkább rokon fajok nem feltétlenül öröklik meg a gének leginkább rokon típusait. Ennek eredménye pedig nem egy klasszikus törzsfa, hanem egy evolúciós hálózat” – mondja Poczai. 

A mintázat pompásan illeszkedik a csucsorfélék biológiájához. A növénycsoport egyik alapjellemzője, hogy tagjai ellenállók a változásokkal szemben, kedvelik a bolygatást, sok közöttük a gyomokhoz hasonlóan alkalmazkodó pionírfaj, számosan nagy földrajzi elterjedési területtel és ökológiai amplitúdóval rendelkeznek. „Az ilyen fajok gyomnövényes tulajdonságai közé tartozik, hogy a bolygatásra reagálva képesek javítani a túlélő és védekezési képességeiken, valamint más növényeket elnyomó allelopatikus tulajdonságokkal is rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik elterjedésüket az őshonos növényzet rovására. Ilyen tulajdonságok voltak jelen többek között a burgonya, a paradicsom és a padlizsán őseiben, elősegítve a gyors morfológiai evolúciót három globális és villámgyors fajképződési impulzust eredményezve” – mondja Poczai. 

A növénybiológus szerint eredményeik más zárvatermőkre is általánosíthatók, egyben választ adhatnak Darwin undok rejtélyére is. Az élővilágban ugyanis a fajok igen gyakran az átlagos evolúciós sebességnél jóval gyorsabban fejlődnek. Ennek oka az adaptív radiációnak nevezett, a kihalás, klímaváltozás vagy más egyéb okok miatt hirtelen üresen maradt különböző ökológiai fülkék betöltéséhez szükséges alkalmazkodás. „Ilyenkor a vonalak kereszteződhetnek, szétválhatnak, majd újra hibridizálódhatnak, ami genetikailag kevert populációkat eredményez – ez az úgynevezett admixtúra. De még a fajok szétválása után is előfordulhat introgresszió, vagyis génbevitel az egyik fajból a másikba” – mondja Poczai. Szerinte ezeknek a folyamatoknak a mértékét, valamint evolúciós és genomikai hatásait a fa-jellegű modellekkel viszont nem lehet érthetővé tenni, különösen a növények esetében. 

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: