סודות החמניות נחשפו: מקורות מרובים של סימטריית פרחים התגלו

עץ משפחת החמניות גילה שסימטריית פרחים התפתחה מספר פעמים באופן עצמאי, תהליך הנקרא אבולוציה מתכנסת, בקרב חברי משפחת הצמחים הגדולה הזו, לפי ניתוח חדש. צוות המחקר, בראשותו של ביולוג של פן סטייט, פתר יותר מהענפים העדינים יותר של עץ המשפחה, וסיפק תובנה כיצד משפחת החמניות – הכוללת אסטרים, חינניות וגידולי מזון כמו חסה וארטישוק – התפתחה.

מאמר המתאר את הניתוח והממצאים, שלדברי החוקרים עשוי לסייע בזיהוי תכונות שימושיות לגידול סלקטיבי של צמחים בעלי מאפיינים רצויים יותר, הופיע באינטרנט בכתב העת תקשורת צמחית.

"אבולוציה מתכנסת מתארת ​​את האבולוציה העצמאית של מה שנראה כאותה תכונה ב מִין, כמו כנפיים בציפורים ובעטלפים", אמר הונג מא, יו"ר האק לפיתוח רבייה ואבולוציה של צמחים, פרופסור לביולוגיה במכללת אברלי למדע בפן סטייט ומנהיג צוות המחקר. "זה יכול להקשות לקבוע כמה קרובים שני מינים קשורים על ידי השוואת התכונות שלהם, כך שיש עץ משפחה מפורט המבוסס על DNA הרצף חיוני להבנה כיצד ומתי התפתחו התכונות הללו."

התקדמות בגניאלוגית משפחת חמניות

ראש החמנייה, למשל, הוא למעשה חומר מורכב המורכב ממספר פרחים קטנים בהרבה. בעוד שהראש בדרך כלל סימטרי רדיאלית – ניתן לחלק אותו לשני חצאים שווים במספר כיוונים כמו כוכב ים או פשטידה – לפרחים בודדים יכולים להיות צורות שונות של סימטריה. על פי המחקר החדש, סימטריה דו-צדדית – שבה יש רק קו אחד המחלק את הפרח לשני חצאים שווים – התפתחה ואבדה מספר פעמים באופן עצמאי בחמניות במהלך ההיסטוריה האבולוציונית. החוקרים מצאו כי אבולוציה מתכנסת זו קשורה ככל הנראה לשינויים במספר העותקים ובדפוסי הביטוי של הגן הרגולטורי הפרחוני, CYC2.

בשנים האחרונות, עצי משפחה רבים עבור קבוצה של מינים קרובים נבנו על ידי שימוש נרחב ב- transcriptomes, שהם הרצפים הגנטיים של בעצם כל הגנים המבוטאים על ידי מין, הסבירו החוקרים. קל יותר לרכוש תעתיקים מאשר רצפים איכותיים של גנום שלם למין, אך עדיין קשה ויקר להכנה ודורשים דגימות צמחים טריות. כדי להגדיל את מספר המינים הזמינים להשוואה, הצוות פנה לרצפי גנום בעלי כיסוי נמוך, המיוצרים בתהליך הנקרא רחפת גנום והם זולים יחסית וקלים להכנה, אפילו מדגימות צמחים מיובשות.

"כדי לקבל רצף גנום שלם מדויק למין, יש לקרוא כל אות באלפבית ה-DNA שלו – או לכסות – מספר פעמים כדי למזער שגיאות", אמר מא. "למטרות בניית אילן יוחסין, אנו מראים במאמר זה שאנו יכולים לברוח עם רצפי גנום בכיסוי נמוך יותר. זה איפשר לנו להגדיל את מספר המינים בניתוח שלנו, מה שבתורו איפשר לנו לפתור יותר מהענפים העדינים יותר באילן היוחסין החמניות".

הצוות השתמש בשילוב של תעתיקים זמינים לציבור וחדשים שנוצרו, יחד עם מספר רב של גנומים מורחקים לאחרונה, עבור סך של 706 מינים עם נציגים מ-16 תת-משפחות, 41 שבטים ו-144 קבוצות ברמת תת-שבט במשפחת החמניות. תת-המשפחות הן תת-חלוקות עיקריות של המשפחה, בעוד שהשבטים והתת-שבטים יכולים להכיל אחד או יותר מהסוגים, שהיא רמת הסיווג ממש מעל המין.

"גרסאות קודמות של אילן היוחסין החמניות ביססו את מערכות היחסים בין רוב תת-המשפחות ושבטים רבים, המקבילים לענפים העיקריים של עץ", אמר מא. "עם גודל המדגם המוגדל שלנו, הצלחנו לפתור יותר מהענפים והזרדים הקטנים יותר ברמת המשבט והסוג. עץ זה ברזולוציה גבוהה יותר אפשר לנו לשחזר היכן ומתי התפתחו תכונות כמו סימטרית פרחים, מה שמוכיח שסימטריה דו-צדדית חייבת להתפתח פעמים רבות באופן עצמאי".

תובנות מולקולריות וכיוונים עתידיים

הצוות גם חקר את האבולוציה המולקולרית של גנים המעורבים בפיתוח פרחים בקרב חמניות. הם מצאו שאחד מהגנים הללו, CYC2, שנמצא במספר עותקים בגנום של כל מין, הופעל במינים עם פרחים סימטריים דו-צדדיים, מה שמרמז שהוא עשוי להיות חלק מהבסיס המולקולרי לאבולוציה המתכנסת של תכונה זו. כדי לבדוק זאת עוד יותר, הצוות ביצע ניסויים לכימות ביטוי גנים של CYC2 בפרחים של מינים עם סוגים שונים של סימטריה.

"הניתוח שלנו הראה קשר ברור בין ביטוי CYC2 לסימטריית פרחים, מה שמרמז ששינויים באופן השימוש בגנים אלה במינים שונים של חמניות מעורבים כנראה באבולוציה המתכנסת שנצפתה במשפחה", אמר מא. "משפחת החמניות היא אחת משתי המשפחות הגדולות ביותר של צמחים פורחים המכילים למעלה מ-28,000 מינים, כולל מינים חקלאיים וגננות רבים בעלי חשיבות כלכלית. ההבנה כיצד המינים הללו קשורים זה לזה מאפשרת לנו לקבוע כיצד ומתי התפתחו תכונותיהם. ידע זה יכול לשמש גם כדי לזהות תכונות שימושיות שניתן לגדל למינים מבויתים ממינים קרובים קרובים."

בנוסף למא, צוות המחקר כולל את Guojin Zhang ב-Penn State; Junbo Yang, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang, וליאן-מינג גאו במכון קונמינג לבוטניקה בקונמינג, סין; Caifei Zhang בגן הבוטני של ווהאן ומרכז המחקר המשותף של סין-אפריקה בווהאן, סין; Bohan Jiao ו-Tiangang Gao במעבדת המפתח של המדינה לגיוון צמחים וגידולים מיוחדים בבייג'ינג, סין; ו-Jose L. Panero באוניברסיטת טקסס, אוסטין.

מימון ממכללת אברלי למדע וממכוני האק למדעי החיים בפן סטייט, תוכנית המחקר בעדיפות אסטרטגית של האקדמיה הסינית למדעים, המתקנים המדעיים בקנה מידה גדול של האקדמיה הסינית למדעים, והקרן הלאומית למדעי הטבע. מסין תמכה במחקר זה.