Un proces molecular în două etape rebranșează transportul nutrienților în Arabi sălbatici

Marie-Lan Nguyen/Wikimedia Commons, CC BY 2.5“width=”600” height=”530″/>

Arabette (Arabidopsis thaliana), școală botanică a Jardin des Plantes din Paris, Franța. Credit: Marie-Lan Nguyen/Wikimedia Commons, CC BY 2.5

Noi cercetări asupra plantelor care au colonizat baza unui stratovulcan activ dezvăluie că doi pași moleculari simpli au reconectat transportul nutrienților, permițând adaptarea.

O echipă internațională condusă de Angela Hancock la Institutul Max Planck pentru Cercetare în Ameliorarea Plantelor din Köln (Germania) și care include oameni de știință de la Associação Projecto Vitó și Parque Natural do Fogo (Capul Verde), Universitatea din Nottingham (Regatul Regatul Unit) și Universitatea din Bochum (Germania) a studiat o populație de Arabi sălbatici (Arabidopsis thaliana) care a colonizat baza unui stratovulcan activ. Ei au descoperit că un proces molecular în două etape a reconectat transportul nutrienților în populație. Rezultatele, publicate astăzi în jurnal Oamenii de știință progresează, dezvăluie un caz excepțional de clar de mers adaptiv într-o populație sălbatică. Descoperirea are implicații mai largi pentru biologia evolutivă și îmbunătățirea culturilor.

Adaptați-vă la un nou mediu de sol

Homeostazia nutrienților este crucială pentru o bună creștere a plantelor și, prin urmare, esențială pentru productivitatea culturilor. Identificarea modificărilor genetice care permit plantelor să prospere în noi condiții de sol oferă o perspectivă asupra acestui proces important. Cu toate acestea, având în vedere dimensiunea imensă a unui genom, este dificil să se identifice variante funcționale specifice care permit adaptarea.

Membrii echipei de cercetare au descoperit anterior că populațiile sălbatice ale plantei model molecular, Arabidopsis thaliana, cunoscută în mod obișnuit sub numele de creson, au colonizat Insulele Capului Verde din Africa de Nord și s-au adaptat folosind noi mutații apărute după colonizarea insulelor. Aici, oamenii de știință s-au concentrat asupra populației de creson de pe insula Fogo, care crește la baza Pico de Fogo, un stratovulcan activ. “Am vrut să știm: ce este nevoie pentru a trăi la poalele unui vulcan activ? Cum s-au adaptat plantele la solul vulcanic din Fogo?” spuse Hancock.

„Ceea ce am descoperit a fost surprinzător”, a spus Emmanuel Tergemina, primul autor al studiului. „În timp ce plantele lui Fogo păreau să fie sănătoase în mediul lor natural, s-au descurcat prost în solul standard pentru ghivece”. Analiza chimică a solurilor Fogo a arătat că acestea au fost sever epuizate în mangan, un element crucial pentru producerea de energie și pentru o bună creștere a plantelor. În schimb, frunzele plantelor Fogo cultivate pe pământ standard pentru ghivece conțineau niveluri ridicate de mangan, ceea ce sugerează că plantele au dezvoltat un mecanism pentru a crește absorbția de mangan.

Doi pași evolutivi către un nou vârf adaptativ

Oamenii de știință au folosit o combinație de cartografiere genetică și analiză evolutivă pentru a descoperi pașii moleculari care au permis plantelor să colonizeze solul limitat de mangan din Fogo.

Într-o primă etapă evolutivă, o mutație a perturbat gena primară de transport a fierului (IRT1), eliminând funcția acesteia. Perturbarea acestei gene într-o populație naturală a fost izbitoare, deoarece această genă cheie există intactă în toate celelalte populații globale ale speciei Arabis – nu a fost găsită o astfel de perturbare în altă parte. În plus, modelele de variație genetică în regiunea genomică IRT1 sugerează că versiunea perturbată a IRT1 a fost importantă în adaptare. Reconstrucția evolutivă arată că mutația sa răspândit rapid la așezare în întreaga populație Fogo, astfel încât toate plantele Fogo Arabis poartă acum această mutație. Folosind tehnologia de editare a genelor (CRISPR-Cas9), cercetătorii au examinat efectele funcționale ale perturbării IRT1 în Fogo și au descoperit că a crescut acumularea de mangan în frunze, ceea ce ar putea explica rolul său în adaptare. Cu toate acestea, pierderea transportorului IRT1 a avut un cost: a redus semnificativ fierul din frunze.

Într-o a doua etapă evolutivă, gena transportorului de metal NRAMP1 a fost duplicată în mai multe evenimente paralele. Aceste dublări s-au răspândit rapid, astfel încât acum aproape toate plantele de nasturel Fogo poartă mai multe copii ale NRAMP1 în genomul lor. Aceste duplicări amplifică funcția genei NRAMP1, crescând transportul de fier și compensând deficiența de fier indusă de perturbarea IRT1. Mai mult, amplificarea a avut loc prin mai multe evenimente independente de duplicare în populația insulei. Acest lucru a fost neașteptat având în vedere timpul scurt de la colonizare (aproximativ 5000 de ani) și absența unor evenimente similare în alte populații din întreaga lume. „Creșterea rapidă a frecvenței acestor duplicări, precum și efectul lor benefic asupra homeostaziei nutrienților indică faptul că acestea au fost importante în adaptare”, a explicat Hancock. „În general, rezultatele noastre oferă un exemplu excepțional de clar al modului în care schimbările genetice simple pot reconecta procesarea nutrienților în plante, permițând adaptarea la un nou mediu de sol”.

Implicații pentru îmbunătățirea culturilor

Aceste rezultate oferă, de asemenea, vești încurajatoare pentru ameliorarea plantelor. În mod tradițional, informațiile despre funcția genelor provin din studiile liniilor mutante individuale. Cu toate acestea, folosind variația care există în natură, este posibil să se descopere procese mai complexe în mai multe etape care pot duce la modificări ale trăsăturilor relevante pentru agricultură. „Descoperirea că un proces simplu în doi pași modifică transportul nutrienților în acest caz poate oferi indicii pentru îmbunătățirea culturilor pentru a se adapta mai bine la mediile locale ale solului. În plus, perturbarea și amplificarea genelor, ca în cazul IRT1 și NRAMP1 în Fogo, sunt câteva dintre cele mai ușoare modificări genetice de inginer, ceea ce le face deosebit de interesante, deoarece înseamnă că ar putea fi ușor transferabile altor specii”, a spus Tergemina.


Ce plante au nevoie pentru a rezista la secetă


Mai multe informatii:
Emmanuel Tergemina și colab., O plimbare adaptivă în doi pași rebranșează transportul nutrienților într-un mediu edafic aspru, Oamenii de știință progresează (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm9385. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm9385

Furnizat de Societatea Max Planck

Citat: Procesul molecular în două etape reinstalează transportul nutrienților în cresonul sălbatic Thalus (2022, 18 mai) Preluat la 18 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-two-step-molecular-rewires-nutrient-wild . html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment