Utilising nuclear encoded plastid DNA to identify donors of grass-to-grass lateral gene transfer
Diese Studie zeigt, dass nukleär kodierte Plastiden-DNA (NUPTs) effektiv spezifische Spenderarten des Grass-zu-Grass-lateralen Gentransfers identifizieren kann, wobei sie aufzeigt, dass *Eremochloa attenuata* ein DNA-Fragment, das sowohl einen zuvor bekannten LGT als auch einen neu identifizierten NUPT enthält, gemeinsam in *Alloteropsis semialata* übertragen hat.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In der riesigen Bibliothek des Lebens wird DNA normalerweise von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben, eine vertikale Vererbung, die den Baum der Evolution Ast für Ast aufbaut. Doch manchmal bricht die Natur die Regeln. DNA kann seitlich zwischen zwei verschiedenen Arten springen, die nicht durch direkte Abstammung miteinander verwandt sind – ein Phänomen, das als lateraler Gentransfer bekannt ist. Während dies einst als seltene Besonderkeit galt, die auf einfache Mikroben beschränkt war, wissen Wissenschaftler heute, dass dies bei Pflanzen häufig vorkommt, insbesondere bei Gräsern. Wenn eine Grasart ein großes DNA-Stück von einem Nachbarn erwirbt, kann sie dadurch neue Eigenschaften gewinnen, aber herauszufinden, welcher Nachbar genau das Geschenk gespendet hat, ist oft ein Rätsel. Der Spender könnte ausgestorben sein, oder die DNA hat sich im Laufe der Zeit so stark verändert, dass die ursprüngliche Quelle unerkennbar geworden ist. Um dies zu lösen, benötigen Forscher eine Möglichkeit, die Geschichte dieser übertragenen Gene mit hoher Präzision zurückzuverfolgen, indem sie nach Hinweisen suchen, die den Lauf der Zeit überdauern.
Ein Wissenschaftlerteam hat dieses Problem kürzlich angegangen, indem es nach einer spezifischen Art von genetischem Fossil suchte, das in den Kerngenomen von Gräsern verborgen ist. Sie konzentrierten sich auf das Gras Alloteropsis semialata, eine Art, die dafür bekannt ist, mehrere große DNA-Fragmente von anderen Gräsern erworben zu haben. Im Zellkern dieser Pflanzen suchten sie nach nukleärer DNA plastidischen Ursprungs, oder NUPTs. Dies sind Stücke der Chloroplasten-DNA – des genetischen Materials, das für die Photosynthese verantwortlich ist – die sich über Millionen von Jahren versehentlich in das eigentliche Kerngenom eingefügt haben. Da die Chloroplasten-Genome von Gräsern hochkonserviert und für Tausende von Arten sequenziert wurden, bieten sie eine massive, detaillierte Karte, die nukleare Gene oft vermissen lassen. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass wenn eine Pflanze ein großes DNA-Fragment von einem Spender erwirbt, sie möglicherweise auch einen NUPT aufgenommen hat, der zum Zeitpunkt der Übertragung im Genom dieses Spenders saß. Durch das Finden dieser NUPTs und das Rückverfolgen ihrer evolutionären Geschichte könnten sie die Spenderart mit wesentlich größerer Genauigkeit bestimmen als durch die Betrachtung der übertragenen Gene allein.
Das Team begann damit, die Genome von vier verschiedenen Akzessionen von Alloteropsis semialata zu scannen. Sie verglichen die nukleare DNA dieser Pflanzen mit einer Datenbank von Chloroplasten-Genomen aus Hunderten anderer Gräser, um Übereinstimmungen zu finden, die nicht zu der Pflanze selbst gehörten. Sie filterten schwache Übereinstimmungen heraus und behielten nur jene, die lang und hochgradig ähnlich zu fremden Chloroplasten waren. Dieser Prozess enthüllte eine kleine Anzahl von Kandidaten, die offensichtlich fremdes genetisches Material darstellten, das in die Pflanze integriert worden war. Um ihre Vermutungen zu bestätigen, rekonstruierten die Forscher die Stammbäume für diese spezifischen DNA-Fragmente. Sie fanden heraus, dass in zwei der Pflanzen-Akzessionen die NUPTs nicht dort saßen, wo sie hätten sitzen sollen, wenn sie vertikal von den eigenen Vorfahren der Pflanze vererbt worden wären. Stattdessen waren diese Fragmente tief in die evolutionären Zweige anderer Graspruppen eingebettet, was darauf hindeutete, dass sie lateral erworben worden waren.
In einem Fall identifizierten die Forscher einen NUPT, der eng mit der Gattung Digitaria gruppiert, einer Art von Gras, die als Krabbengras bekannt ist. In einem anderen, komplexeren Fall deutete der NUPT in Richtung der Gattung Eremochloa. Um den genauen Spender für diesen zweiten Transfer einzugrenzen, sequenzierte das Team die Chloroplasten-Genome von zwölf zusätzlichen Eremochloa-Arten aus Herbarium-Proben. Als sie diese neuen Sequenzen in ihre Analyse einbezogen, wurde die Beweislage erdrückend: Das fremde DNA-Fragment in der Alloteropsis-Pflanze war am engsten mit einer spezifischen Art, Eremochloa attenuata, verwandt. Die genetische Übereinstimmung war so stark, dass die Forscher den Spender mit hoher Zuversicht lokalisieren konnten, was allein durch die am Transfer beteiligten nuklearen Gene schwierig gewesen wäre.
Die Studie ging noch einen Schritt weiter, um zu prüfen, ob der NUPT und die benachbarten übertragenen Gene gemeinsam wanderten. Die Forscher untersuchten die Region des Alloteropsis-Genoms, in der der NUPT gefunden wurde, und bemerkten, dass er sich unmittelbar stromabwärts von einem zuvor identifizierten lateralen Gentransfer ereignete. Sie kartierten kurze DNA-Reads des vermuteten Spenders, Eremochloa attenuata, auf diese spezifische Region des Alloteropsis-Genoms. Die Reads deckten den Bereich konsistent ab, überschnitten die bekannten übertragenen Gene und erstreckten sich direkt in die Region, die den NUPT enthält. Dieses Muster deutet darauf hin, dass der gesamte DNA-Block, einschließlich der funktionellen Gene und des Chloroplasten-Fragments, als ein einziges, kontinuierliches Stück vom Spender zum Empfänger übertragen wurde.
Dieser Ansatz unterstreicht eine kraftvolle neue Methode, um die Geschichte des genetischen Austauschs zu verfolgen. Indem sie die reichlich vorhandenen und gut erhaltenen Aufzeichnungen der Chloroplasten-DNA nutzen, die im Zellkern verborgen sind, können Wissenschaftler die Spender von lateralen Gentransfer-Ereignissen mit weitaus größerer Präzision identifizieren. Die Forscher fanden heraus, dass diese Transfers große, komplexe DNA-Fragmente beinhalten können, die sowohl Gene als auch nicht-kodierende Regionen umfassen, und dass derselbe Spender zu mehreren Transfer-Ereignissen beitragen kann. Obwohl die Methode auf dem Vorhandensein dieser spezifischen genetischen Fossilien beruht und möglicherweise nicht für jeden uralten Transfer funktioniert, bietet sie einen klaren Weg nach vorn, um die Geschichte des Austauschs von genetischem Material unter Gräsern zu verstehen. Die Fähigkeit, die exakte Spenderart zu identifizieren, öffnet die Tür zum Verständnis der Mechanismen, die es ermöglichen, dass DNA zwischen Arten springt, sowie der Eigenschaften, die Gräser durch diesen Austausch gewinnen.
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