Massive molekulare Studien decken Hinweise auf die Entwicklung und Diversifizierung essentieller Pflanzenfamilien auf – –

Die umfassendste Untersuchung des Stammbaums für Hülsenfrüchte, der Pflanzenfamilie, zu der Bohnen, Sojabohnen, Erdnüsse und viele andere wirtschaftlich wichtige Kulturpflanzen gehören, zeigt eine Vorgeschichte von Duplikationen des gesamten Genoms. Die Studie hilft auch dabei, die Evolution von Genen aufzudecken, die an der Stickstofffixierung beteiligt sind – ein Schlüsselmerkmal, das wahrscheinlich für die evolutionäre Verbreitung und Diversifizierung von Hülsenfrüchten wichtig und für ihre Verwendung als “Gründüngung” in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung ist. Um den Stammbaum zu rekonstruieren, verglichen die Forscher die DNA-Sequenz von mehr als 1500 Genen aus 463 verschiedenen Hülsenfruchtarten, darunter 391 neu sequenzierte Arten, die die Vielfalt dieser großen Pflanzenfamilie umfassen.

Ein Artikel, der die Studie beschreibt und von Penn State Professor für Biologie Hong Ma geleitet wird, erscheint in der Mai-Ausgabe 2021 der Zeitschrift Molekulare Pflanze.

“Hülsenfrüchte bilden die drittgrößte Familie von Blütenpflanzen und sind unglaublich vielfältig – von winzigen Kräutern bis hin zu riesigen Bäumen”, sagte Ma, die Huck Distinguished Research Professorin für Pflanzenmolekularbiologie am Penn State. “Sie sind essentielle Nahrungspflanzen für Mensch und Tier, können als Schnittholz verwendet werden und haben viele andere Verwendungszwecke. Vielleicht am wichtigsten ist, dass sie Stickstoff ‘fixieren’ können – indem sie den lebenswichtigen Nährstoff aus der Atmosphäre extrahieren und ihn in Knötchen auf ihrem speichern Wurzeln in einer symbiotischen Beziehung zu Bodenbakterien – was sie als Gründüngung wichtig macht, um die Bodengesundheit zu verbessern. “

Es gibt über 19.000 Arten in der Hülsenfruchtfamilie, die in sechs Unterfamilien unterteilt sind und dann aufgrund ihrer evolutionären Beziehungen weiter in engere und engere Gruppierungen unterteilt werden. Es gibt 765 Gattungen – die Gruppierung eine Ebene über der Art -, von denen das Team Mitglieder von 333 untersuchte. Um den Stammbaum zu erstellen, analysierte das Team Gensequenzen aus den Transkriptomen – dem Teil des Genoms, der als Gene exprimiert wird – – von den meisten der 463 Arten und einer kleinen Anzahl von flach sequenzierten ganzen Genomen aus der gesamten Hülsenfruchtvielfalt.

“Dies ist die größte Studie dieser Art für eine einzelne Pflanzenfamilie”, sagte Ma. “Wir haben große Anstrengungen unternommen, um so viele Arten wie möglich zu beproben, um eine breite Darstellung der Hülsenfruchtfamilie zu erhalten. Es ist jedoch oft schwierig, gut erhaltene Proben zu erhalten, aus denen wir DNA oder RNA extrahieren können, insbesondere für Arten, die in abgelegenen Gebieten vorkommen Standorte. Mit dieser breiten Repräsentation von Arten konnten wir den bislang detailliertesten Stammbaum für Kerngene für Hülsenfrüchte erstellen. “

Der neue Stammbaum der Hülsenfrüchte hilft den Forschern nicht nur, die Entwicklung und Diversifizierung von Hülsenfrüchten zu verstehen, sondern auch, die Beziehung zwischen Kulturpflanzen und ihren wilden Verwandten zu klären. Obwohl die nahen Verwandten wichtiger landwirtschaftlicher Nutzpflanzen häufig bekannt sind, könnte die Untersuchung entfernterer wilder Cousins ​​Merkmale aufzeigen, die genutzt werden könnten, um Pflanzen in sich verändernden Umgebungen zu helfen und Krankheiten oder Insektenschädlingen zu widerstehen.

Im gesamten Stammbaum der Hülsenfrüchte identifizierte das Forscherteam starke Hinweise auf 28 separate Duplikationsereignisse des gesamten Genoms. Duplikationen des gesamten Genoms, evolutionäre Ereignisse, die zu einer vollständigen Duplizierung des gesamten Genoms führen, sind bei Blütenpflanzen ziemlich häufig und ermöglichen vermutlich funktionelle Innovation und evolutionäre Diversifizierung. Eines der vom Team identifizierten Duplikationsereignisse scheint beim Vorfahren aller Mitglieder der Hülsenfruchtfamilie aufgetreten zu sein.

“Da wir für die meisten Arten in unserer Studie Transkriptome verwendet haben und nicht über vollständige Genomsequenzen verfügen, betrachten wir diese als ‘vorgeschlagene’ Genomduplikationsereignisse”, sagte Ma. “Diese Art von Studien ist wie das Lösen eines Rätsels. Wenn Sie nur einen oder wenige Zeugen haben, kann es schwierig sein, eine Jury von Ihren Beweisen zu überzeugen, aber wenn Sie hundert Zeugen haben, die unterschiedliche Perspektiven haben und auf die alle hinweisen Ebenso wird es schwierig, diese Beweise zu verwerfen. In unserem Fall sind die verschiedenen Arten wie unsere Zeugen. Die Größe unserer Studie ermöglichte es uns, Ereignisse zu identifizieren, die wir sonst möglicherweise abgewiesen hätten. “

Die beiden größten Unterfamilien umfassen über 17.000 Hülsenfruchtarten und umfassen alle Arten mit der Fähigkeit, Stickstoff zu binden. Stickstoff ist ein wichtiger pflanzlicher Nährstoff – die meisten handelsüblichen Düngemittel enthalten eine Mischung aus Stickstoff, Phosphor und Kalium -, weshalb die symbiotische Beziehung zwischen einigen Hülsenfrüchten und den Mikroorganismen, die es ihnen ermöglichen, Stickstoff aus der Atmosphäre mithilfe von Wurzelknollen aufzunehmen, ihren Erfolg beflügelt hat sie, um Gebiete mit weniger fruchtbarem Boden zu besiedeln. Das Forscherteam identifizierte auch Hinweise auf die Entwicklung der Gene, die für dieses wichtige Merkmal verantwortlich sind.

“Unsere Daten stützen die Idee, dass Knötchenbildung und Stickstofffixierung ein einziges Mal in der Geschichte von Hülsenfrüchten und anderen verwandten stickstofffixierenden Pflanzen entstanden sind und dass das Ereignis der Duplikation des gesamten Genoms am Ursprung von Hülsenfrüchten für die Entwicklung dieses Prozesses entscheidend gewesen sein könnte “sagte Ma. “Zusätzlich zu diesem Duplikationsereignis können wir auch einen Genverlust in Pflanzen beobachten, die nicht in der Lage sind zu knoten, und evolutionäre Veränderungen in Genen, die zu ihrer Rolle bei der Knotung beigetragen haben.”

Quelle der Geschichte:

Materialien zur Verfügung gestellt von Penn State. Original geschrieben von Sam Sholtis. Hinweis: Der Inhalt kann nach Stil und Länge bearbeitet werden.

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