Bacteriële genen dreven de evolutie van landplanten
Honderden genen in de huidige planten zijn oorspronkelijk afkomstig van bacteriën, schimmels en virussen. Dit wordt bewezen door een nieuwe studie die de genomen van 31 planten onderzocht op effecten van horizontale genoverdracht, dat wil zeggen van genoverdracht onafhankelijk van soortgrenzen en reproductie. Veel genen die planten van andere organismen krijgen, vervullen nu belangrijke biologische functies. Het helpt onder meer landplanten zich aan te passen aan droogte en stikstof uit de bodem op te nemen.
Voor bacteriën speelt horizontale genoverdracht een grote rol als het gaat om snelle aanpassing aan nieuwe omstandigheden. In tegenstelling tot verticale genoverdracht, waarbij genen tijdens de voortplanting van ouders op nakomelingen worden overgedragen, wordt bij horizontale genoverdracht (HGT) genetisch materiaal rechtstreeks van het ene individu op het andere overgedragen. Zo kan bijvoorbeeld antibioticaresistentie zich snel verspreiden. In hoeverre HGT ook een rol speelt in meercellige organismen zoals planten en dieren is tot nu toe onderwerp van discussie.
Genen van microben
Een team onder leiding van Jianchao Ma van de Henan University in China onderzocht de genomen van 31 planten op effecten van horizontale genoverdracht. De geanalyseerde planten omvatten algen, varens, grassen, bomen en planten, een groep groene algen geassocieerd met moderne planten op aarde. Het resultaat: “Onze gegevens geven aan dat HGT voorkomt in houtskoolplanten en alle belangrijke groepen terrestrische planten”, schreven de onderzoekers.
Volgens de analyse hebben ongeveer 600 genfamilies in moderne planten hun oorsprong in andere organismen. De meeste verworven genen zijn afkomstig van bacteriën. Een groot deel daarvan is echter ook te wijten aan schimmels”, leggen Ma en collega’s uit. Met name bij groene algen ontdekten ze ook verschillende genfamilies die blijkbaar waren overgedragen van virussen naar de voorouders van onderzochte planten. Sommige van de genetische sequenties zelfs is mogelijk van waterdieren overgegaan op groene algen. “Of de overeenkomst in gensequentie tussen waterplanten en dieren daadwerkelijk wordt veroorzaakt door genuitwisseling tussen organismen, moet verder worden onderzocht”, zeggen de onderzoekers.
Heeft genoverdracht me geholpen om naar het strand te gaan?
Met behulp van genoomvergelijkingen identificeerden de onderzoekers twee belangrijke afleveringen van horizontale genoverdracht tijdens de evolutie van landplanten. 177 genfamilies van microben werden tijdens de eerste aflevering naar planten overgebracht en 107 tijdens de tweede. In de loop van de evolutie is het duidelijk dat ze planten nuttige eigenschappen gaven en miljoenen jaren bewaard bleven – niet alleen in primitieve planten zoals groene algen en algen, maar ook in zaadplanten. “Ongeveer 58 procent van de genen uit de eerste ring en 71 procent van de genen uit de tweede ring zijn vandaag de dag nog steeds aanwezig in zaadplanten”, aldus de onderzoekers.
“Onze resultaten geven aan dat HGT een belangrijke rol speelt in de evolutie van landplanten”, zegt Ma Jinling Huang Fellow. Vergeleken met mutaties veroorzaakt door verticale genoverdracht, stelt HGT planten in staat om snel nieuwe eigenschappen te verwerven. Sommige van deze nieuwe eigenschappen hebben planten mogelijk geholpen zich aan te passen aan een drastisch veranderende omgeving, zoals het verplaatsen van water naar land. “Ik had gedacht dat horizontale genoverdracht planten hielp om het land te koloniseren, maar we wisten tot nu toe niet hoe belangrijk dat was,” zei Huang. “Onze studie verandert de traditionele kijk op de evolutie van landplanten.”
Genen met gunstige eigenschappen
De verworven genen omvatten genen die planten enige weerstand bieden tegen droogte, hen helpen ongedierte af te weren en zijn betrokken bij het opnemen van voedingsstoffen uit de bodem en het transporteren ervan naar hun cellen. Genen die oorspronkelijk afkomstig zijn van bacteriën spelen ook een belangrijke rol bij de synthese van auxine, een van de belangrijkste groeihormonen in planten. In toekomstige studies willen de onderzoekers de functie van sommige van de verworven genen nader onderzoeken. Het is denkbaar om de genen die verantwoordelijk zijn voor de gewenste eigenschappen in de toekomst gericht over te dragen aan gewassen.
Bron: Jianchao Ma (Henan University, China) et al., Molecular Plant, doi: 10.1016/j.molp.2022.02.001