Utilising nuclear encoded plastid DNA to identify donors of grass-to-grass lateral gene transfer
Deze studie toont aan dat in de kern gecodeerd plastide DNA (NUPTs) effectief specifieke donorsoorten van grass-to-grass laterale genoverdracht kan identificeren, waarbij wordt onthuld dat *Eremochloa attenuata* een DNA-fragment dat zowel een eerder bekende LGT als een nieuw geïdentificeerde NUPT bevat, co-overdroeg naar *Alloteropsis semialata*.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de uitgestrekte bibliotheek van het leven wordt DNA meestal van ouder op nakomeling doorgegeven, een verticale overerving die de boom van de evolutie tak voor tak opbouwt. Maar soms breekt de natuur de regels. DNA kan zijwaarts springen tussen twee verschillende soorten die niet rechtstreeks aan elkaar verwant zijn, een fenomeen dat bekend staat als laterale genoverdracht. Hoewel dit ooit werd beschouwd als een zeldzaamheid beperkt tot eenvoudige microben, weten wetenschappers nu dat het frequent voorkomt bij planten, met name bij grassen. Wanneer een grassoort een groot stuk DNA van een buur verwerft, kan het nieuwe eigenschappen verkrijgen, maar het uitzoeken welke buur precies het geschenk heeft geschonken, is vaak een puzzel. De donor kan uitgestorven zijn, of het DNA kan in de loop van de tijd zo sterk veranderd zijn dat de oorspronkelijke bron onherkenbaar is geworden. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers een manier nodig om de geschiedenis van deze overgedragen genen met hoge precisie te traceren, waarbij ze zoeken naar aanwijzingen die de tand des tijds hebben doorstaan.
Een team wetenschappers pakte dit probleem onlangs aan door te zoeken naar een specifiek type genetisch fossiel dat verborgen zit in de kerngenomen van grassen. Ze concentreerden zich op het grassoort Alloteropsis semialata, een soort die bekend staat om het verwerven van verschillende grote DNA-fragmenten van andere grassen. Binnen de celkern van deze planten zochten ze naar nucleair DNA van plastide-oorsprong, of NUPTs. Dit zijn stukjes chloroplast-DNA — het genetisch materiaal dat verantwoordelijk is voor fotosynthese — die zich over miljoenen jaren per ongeluk in het belangrijkste nucleaire genoom hebben ingevoegd. Omdat de chloroplast-genomen van grassen zeer geconserveerd zijn en van duizenden soorten zijn gesequenced, bieden ze een enorme, gedetailleerde kaart die nucleaire genen vaak missen. De onderzoekers hypothesiseerden dat als een plant een groot DNA-fragment van een donor heeft verworven, deze ook een NUPT zou kunnen hebben opgepikt die op dat moment in het genoom van die donor zat. Door deze NUPTs te vinden en hun evolutionaire geschiedenis te traceren, zouden ze de donorsoort met veel grotere nauwkeurigheid kunnen aanwijzen dan door alleen naar de overgedragen genen te kijken.
Het team begon met het scannen van de genomen van vier verschillende accessies van Alloteropsis semialata. Ze vergeleken het nucleaire DNA van deze planten met een database van chloroplast-genomen van honderden andere grassen om overeenkomsten te vinden die niet tot de plant zelf behoren. Ze filterden zwakke overeenkomsten eruit en hielden alleen de matches over die lang waren en een hoge gelijkenis vertoonden met vreemde chloroplasten. Dit proces onthulde een klein aantal kandidaten die vreemd genetisch materiaal leken te zijn dat in de kern van de plant was geïntegreerd. Om hun vermoedens te bevestigen, reconstrueerden de onderzoekers de stambomen voor deze specifieke DNA-fragmenten. Ze ontdekten dat in twee van de plant-accessies de NUPTs zich niet bevonden waar ze zouden moeten zitten als ze verticaal van de eigen voorouders van de plant waren geërfd. In plaats daarvan nestelden deze fragmenten zich diep binnen de evolutionaire takken van andere grassengroepen, wat suggereert dat ze lateraal waren verworven.
In één geval identificeerden de onderzoekers een NUPT die nauw verwant is aan het geslacht Digitaria, een type gras dat bekend staat als krabgras. In een ander, complexer geval wees de NUPT in de richting van het geslacht Eremochloa. Om de exacte donor voor deze tweede overdracht te verfijnen, sequencede het team de chloroplast-genomen van twaalf aanvullende Eremochloa-soorten uit herbariummonsters. Toen ze deze nieuwe sequenties aan hun analyse toevoegden, werd het bewijs overweldigend: het vreemde DNA-fragment in de Alloteropsis-plant was het nauwst verwant aan een specifieke soort, Eremochloa attenuata. De genetische overeenkomst was zo sterk dat de onderzoekers de donor met een hoog vertrouwen konden plaatsen, iets wat met alleen de betrokken nucleaire genen moeilijk zou zijn geweest.
De studie ging een stap verder om te zien of de NUPT en de nabijgelegen overgedragen genen samen reisden. De onderzoekers bestudeerden de regio van het Alloteropsis-genoom waar de NUPT werd gevonden en merkten op dat deze zich net stroomafarts van een eerder geïdentificeerde laterale genoverdracht bevond. Ze brachten korte DNA-reads van de vermoedelijke donor, Eremochloa attenuata, in kaart op deze specifieke regio van het Alloteropsis-genoom. De reads dekten het gebied consistent af, overspanden de bekende overgedragen genen en breidden zich uit tot diep in de regio die de NUPT bevat. Dit patroon suggereert dat het gehele blok DNA, inclusief zowel de functionele genen als het chloroplast-fragment, als één continu stuk van de donor naar de ontvanger is overgedragen.
Deze benadering onderstreept een krachtige nieuwe manier om de geschiedenis van genetische uitwisseling te traceren. Door gebruik te maken van de overvloedige en goed bewaarde records van chloroplast-DNA dat verborgen zit in de kern, kunnen wetenschappers de donoren van laterale genoverdracht met veel grotere precisie identificeren. De onderzoekers ontdekten dat deze overdrachten grote, complexe DNA-fragmenten kunnen omvatten die zowel genen als niet-coderende regio's bevatten, en dat dezelfde donor aan meerdere overdrachtsevenementen kan bijdragen. Hoewel de methode afhankelijk is van de aanwezigheid van deze specifieke genetische fossielen en mogelijk niet voor elke oude overdracht werkt, biedt het een duidelijk pad vooruit om te begrijpen hoe grassen gedurende hun evolutionaire geschiedenis genetisch materiaal hebben uitgewisseld. Het vermogen om de exacte don soort te identificeren, opent de deur naar het begrijpen van de mechanismen die ervoor zorgen dat DNA tussen soorten kan springen en de eigenschappen die grassen door deze uitwisselingen verkrijgen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.