Spatial localization of conserved developmental regulators during apogamic sporophyte initiation in the fern Dryopteris affinis

Varens zijn oeroude planten die zich voortplanten op een manier die bijna voelt als een geheime handdruk tussen twee aparte levens. In tegen tegenstelling tot bomen of bloemen, die groeien als een enkele plant die zaden maakt, brengen varens een deel van hun leven door als een klein, onafhankelijk groen tapijtje dat een gametofiet wordt genoemd. Deze kleine plant heeft meestal een partner nodig om een nieuwe, grotere varenplant te creëren, die bekend staat als de sporofyt. Echter, sommige varens hebben een trucje in hun mouw genaamd apogamie. In dit proces slaat de kleine groene plant de ontmoeting volledig over en groeit zij een nieuwe, grotere varen direct uit haar eigen cellen, zonder enige bevruchting. Het is een vorm van ongeslachtelijke voortplanting die deze planten in staat stelt om zich snel te verspreiden zonder een partner nodig te hebben. Terwijl wetenschappers jarenlang hebben geprobeerd uit te zoeken hoe soortgelijke trucjes werken in bloemplanten, zijn de moleculaire instructies die een varen vertellen om dit proces te starten een mysterie gebleven. Het begrijpen van deze verborgen schakelaar gaat niet alleen over varens; het zou wetenschappers er uiteindelijk bij kunnen helpen om andere gewassen te leren zich voort te planten zonder zaden, een doel dat plantenveredelaars al lang fascineert.

Een team van onderzoekers zette zich in om de specifieke genetische instructies te vinden die deze schakelaar activeren in een varen genaamd Dryopteris affinis. Deze specifieke varen is bijzonder omdat het een obligate apogamist is, wat betekent dat het het vermogen heeft verloren om geslachtelijk te reproduceren en volledig vertrouwt op deze ongeslachtelijke methode. De wetenschappers begonnen met het scannen van de volledige bibliotheek van genetische boodschappen, of transcripten, die aanwezig zijn in de kleine groene cellen van de varen. Ze zochten naar bekende namen—genen die bekend staan om het controleren van groei en ontwikkeling in andere planten, met name de genen die betrokken zijn bij het veranderen van een gewone cel in een embryo. Door de genetische gegevens van de varen te vergelijken met bekende genen van de modelplant Arabidopsis, identificeerden ze zeventien sterke kandidaten. Deze kandidaten bevatten genen die fungeren als meesterschakelaars voor embryonale ontwikkeling, genen die helpen andere genen te onderdrukken, en genen die beheren hoe DNA in de cel is verpakt.

Om er zeker van te zijn dat deze kandidaten echt waren en niet slechts computergokken, kozen de onderzoekers voor een praktische aanpak. Ze extraheerden genetisch materiaal uit de varens en gebruikten een standaard laboratoriumtechniek om de specifieke sequenties van twaalf van deze genen te amplificeren en af te lezen. Dit bevestigde dat de varens inderdaad beschikten over de genetische blauwdrukken voor deze cruciale regulatoren. Onder de meest veelbelovende vondsten waren genen die bekend staan als BBM, AIL1 en PLT2. In andere planten zijn deze genen beroemd om hun rol in het vertellen van een cel om te beginnen met het groeien naar een nieuw plantlichaam. De onderzoekers ontdekten dat de varens deze zelfde genen hadden, en toen ze de hoeveelheid genetische boodschap in verschillende stadia van het leven van de varen vergeleken, zagen ze een duidelijk patroon. Terwijl de kleine varen groeide van een eenvoudige draadvormige vorm naar een platte, hartvormige vorm, nam de hoeveelheid boodschappen voor deze drie genen dramatisch toe. Deze piek suggereerde dat de varen haar interne "embryo-makende" machinerie aanzette precies op het moment dat zij zich voorbereidde om een nieuwe sporofyt te laten groeien.

Het verhaal ging echter niet alleen over hoeveel van deze genen aanwezig waren, maar precies waar ze zich bevonden. Om dit te zien, gebruikten de onderzoekers een krachtige beeldvormingstechniek genaamd RNA-fluorescentie in situ hybridisatie. Deze methode stelt wetenschappers in staat om specifieke genetische boodschappen te labelen met een lichtgevende kleurstof, zodat ze onder een microscoop te zien zijn. Ze bekeken varens in drie verschillende groeistadia: het vroege draadvormige stadium, het intermediaire lepelvormige stadium en het volwassen hartvormige stadium. De resultaten waren opmerkelijk. In de vroege stadia waren de lichtgevende labels nergens te vinden. Maar in de hartvormige varens verscheen een helder, geconcentreerd signaal op een zeer specifieke plek: het midden van het hart, wat exact de locatie is waar de nieuwe varenplant begint te ontspruiten. Dit signaal was zichtbaar voor de genen BBM, AIL1, MEE29 en SE. De onderzoekers zagen geen dergelijk signaal in de eerdere stadia, wat erop wijst dat deze genen niet alleen algemeen actief zijn, maar op een precies moment en op een precieze plaats worden ingeschakeld om de nieuwe plant te initiëren.

De studie onthulde ook dat deze genen deel uitmaken van grotere, gecoördineerde teams. Door te analyseren hoe de eiwitten die door deze genen worden geproduceerd met elkaar kunnen interageren, identificeerden de onderzoekers twee hoofdgroepen die samenwerken. De ene groep is betrokken bij het onderdrukken van genen met behulp van kleine RNA-moleculen, terwijl de andere groep het chemische verpakken van DNA beheert, een proces dat bekend staat als chromatine-regulatie. Dit zijn precies dezelfde soorten systemen die de voortplanting in bloemplanten controleren, wat suggereert dat varens oude, geconserveerde instrumenten hebben hergebruikt om hun unieke vorm van ongeslachtelijke voortplanting te bereiken. De bevindingen bewijzen niet dat deze genen de enige oorzaak van apogamie zijn, maar ze bieden de eerste duidelijke kaart van waar en wanneer deze cruciale regulatoren verschijnen. Het bewijs wijst naar een scenario waarin de varen een specifieke set ontwikkelingsschakelaars activeert in het centrum van haar hartvormige lichaam, waardoor zij effectief één enkele cel vertelt om op te houden een deel van een blad te zijn en te beginnen met het worden van een hele nieuwe plant. Deze ontdekking biedt een concreet startpunt voor het begrijpen van hoe de natuur de noodzaak van seks kan omzeilen om nieuw leven te creëren, waarbij wordt onthuld dat de instructies voor dit wonder geschreven zijn in dezelfde taal als die van planten die uit zaden groeien.