Asymmetric inter-kingdom gene transfer and a horizontal transposon invasion in a powdery mildew fungus
Deze studie onthult dat recente horizontale DNA-overdracht tussen planten en schimmels zeldzaam en sterk asymmetrisch is—voornamelijk betrokken bij genenstroom van schimmel naar plant en een enkele plant-naar-schimmel transposon-invasie—toch drijven deze verworven sequenties vervolgens significante genomische diversificatie aan via mechanismen zoals duplicatie, verlies en transposon-amplificatie.
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
Het leven op het land begon met een stille samenwerking. Meer dan 450 miljoen jaar geleden deden de eerste planten die het water verlieten dat niet alleen; ze vormden intieme allianties met schimmels. Deze microscopische partners hielpen de vroege kolonisten te overleven in de barre, droge omstandigheden van de nieuwe wereld, door voedingsstoffen te ruilen voor beschutting in een relatie die sindsdien heeft voortgeduurd. Door de diepe tijd heen hebben deze twee koninkrijken zo dicht bij elkaar geleefd dat hun genetisch materiaal incidenteel de grens tussen hen heeft overschreden. Dit proces, bekend als horizontale transfer, is als een genetische lening waarbij een organisme een stukje DNA van een buurman oppikt in plaats van het te erven van een ouder. Hoewel wetenschappers lang wisten dat dit gebeurt, hadden ze moeite om te zien hoe vaak het voorkomt tussen complexe, meercellige levensvormen zoals planten en schimmels, en wat er met dat geleende DNA gebeurt zodra het arriveert.
Een team van onderzoekers heeft nu een frisse blik geworpen op deze vraag door de volledige genetische blauwdrukken van honderden soorten te scannen. In plaats van te vertrouwen op bestaande genetische kaarten, die nieuwe of ongewone sequenties kunnen missen, vergeleken zij het ruwe DNA van 418 verschillende plantensoorten met 1.081 schimmelsoorten. Deze enorme, onbevooroordeelde zoektocht stelde hen in staat om recente gevallen te spotten waarin DNA van het ene koninkrijk naar het andere was gesprongen. Ze ontdekten dat hoewel dergelijke transfers zeldzaam zijn, ze niet willekeurig zijn. De stroom van genetisch materiaal is sterk eenzijdig: planten zijn veel waarschijnlijker in staat om DNA van schimmels te ontvangen dan andersom. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat dit vreemde DNA, eenmaal in een nieuwe gastheer aangekomen, niet simpelweg daar blijft zitten. Het kan worden gekopieerd, hervormd, verloren gaan of zelfs in aantal exploderen, afhankelijk van de specifieke familie van planten of schimmels die het heeft ontvangen.
De studie onthulde dat in de grassen behorend tot de Pooideae, waaronder tarwe en gerst, schimmels verschillende genen hebben geschonken die de planten hebben behouden en aangepast. Deze transfers kwamen specifiek van een groep schimmels genaamd Epichloë, die in de grassen leven als onschadelijke endofyten. De onderzoekers ontdekten dat de grassen deze genen niet alleen accepteerden; ze dupliceerden ze. Sommige van deze geleende genen bestaan nu in meerdere kopieën binnen een enkele plant, en de kopieën zijn anders gaan functioneren. Terwijl één kopie misschien actief blijft in de wortels, kan een andere stil zijn, of ze kunnen hun structuur hebben veranderd door interne onderdelen te verwisselen. Dit suggereert dat de grassen actief experimenteren met dit vreemde genetische materiaal, waarbij ze het gebruiken als grondstof om nieuwe eigenschappen te evolueren. In contrast hiermee, in niet-vasculaire planten zoals mossen, is het verhaal anders. Wanneer mossen schimmelgenen verwerfden, hadden ze de neiging om ze als enkelvoudige kopieën te behouden. Echter, deze enkelvoudige kopieën zijn instabiel; de onderzoekers ontdekten dat binnen verschillende subspecies van de levermossen Marchantia polymorpha, sommige individuen het gen hebben behouden terwijl anderen het volledig hebben verloren, wat aantoont dat het genetische landschap nog steeds in beweging is.
Misschien wel de meest verrassende ontdekking was een zeldzame gebeurtenis in de tegenovergestelde richting: een stukje plant-DNA dat in een schimmel sprong. De onderzoekers identificeerden een specifiek type mobiel genetisch element, een transposon, dat zij het Gnawa-element noemden. Dit element, dat in planten ontstond, werd gevonden geïntegreerd in het genoom van de tomatenmeeldauwschimmel, een pathogeen die tomaten aanvalt. In tegen tegenstelling tot de plantgenen die in schimmels terechtkwamen en verdwenen, overleefde deze schimmel-indringer niet alleen; hij gedijde. Na de entree in de schimmel werd het Gnawa-element wakker en begon het zichzelf agressief te kopiëren. Het vermenigvuldigde zich totdat er 172 kopieën van een kleinere, afgeleide versie van zichzelf verspreid waren over het genomische landschap van de schimmel. Deze massale expansie vond zo recent plaats dat de kopieën bijna identiek aan elkaar zijn. De onderzoekers bevestigden dat dit geen fout in hun gegevens was of een contaminatie van de tomatplant zelf, maar een echt geval van een plant-transposon die de overname van een schimmelgenoom heeft voltooid.
De bevindingen schetsen een beeld van een dynamische, zij het ongelijkmatige, uitwisseling van genetische informatie. De studie weerlegt het idee dat deze transfers veelvoorkomende, wijdverspreide gebeurtenissen zijn die gelijkmatig tussen alle planten en schimmels plaatsvinden. In plaats daarvan lijken het zeldzame, specifieke incidenten te zijn die verbonden zijn aan nauwe ecologische relaties, zoals de symbiose tussen grassen en hun interne schimmelpartners. Het onderzoek verduidelijkt ook dat het lot van overgedragen DNA niet uniform is. In sommige lineages wordt het DNA bewaard en gedupliceerd, wat potentieel nieuwe functies biedt. In andere is het fragiel en gevoelig voor verlies. De ontdekking van de plant-naar-schimmel transfer van het Gnawa-element voegt een nieuw hoofdstuk toe aan dit verhaal, en laat zien dat de stroom van genetische informatie in beide richtingen kan bewegen, en dat dit, wanneer dat gebeurt, een snelle en dramatische verandering in het genoom van de ontvanger kan triggeren. Dit werk benadrukt dat de grenzen tussen koninkrijken niet zo rigide zijn als ooit gedacht, en dat de geschiedenis van het leven op het land niet alleen geschreven is in de genen die we erven, maar ook in de genen die we lenen.
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.