POGED: A Plant Orthologous Group Evolution Database

Om te begrijpen hoe het leven op het land is geëvolueerd, kijken wetenschappers vaak naar de instructiehandleidingen binnen cellen: de genen. Net zoals een stamboom laat zien hoe mensen aan elkaar verwant zijn, volgt een genetische stamboom hoe specifieke genen over miljoenen jaren zijn veranderd en vermenigvuldigd. Wanneer een soort zich splitst in tweeën, splitsen de genen zich ook; deze verwante genen worden orthologen genoemd. Door deze orthologen tussen verschillende planten te vergelijken, kunnen onderzoekers zien hoe de natuur biologische functies heeft bijgesteld om organismen te helpen overleven in nieuwe omgevingen, van de diepten van de oceaan tot de droogste woestijnen. Het doen van deze vergelijking is echter ongelooflijk moeilijk. Er zijn duizenden plantensoorten, elk met miljoenen genen, en het doorzoeken van deze gegevens om de echte verwanten te vinden, vereist complexe computervaardigheden waar veel biologen niet over beschikken. Zonder een duidelijke kaart is het gemakkelijk om verdwaald te raken in de enorme hoeveelheid gegevens, waarbij de subtiele veranderingen die verklaren waarom een varen er anders uitziet dan een bloem, of waarom een mos in de schaduw overleeft terwijl een cactus in de zon gedijt, over het hoofd worden gezien.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe digitale tool gebouwd om dit probleem op te lossen, waarmee ze een uitgebreide kaart van genrelaties hebben gemaakt over de groene wereld van planten en algen. Ze noemen dit de Plant Orthologous Group Evolution Database, of POGED. In plaats van wetenschappers zichzelf complexe computerprogramma's te laten draaien, doet POGED het zware werk vooraf. Het heeft genetische gegevens verzameld van 57 verschillende soorten, variërend van eenvoudige groene algen en mossen tot complexe bloemplanten zoals tarwe, rijst en tomaten. De database gebruikt krachtige software om genen te groeperen die een gemeenschappelijke voorouder delen en om de specifieke functionele onderdelen, of domeinen, te identificeren waaruit elk eiwit is opgebouwd. Hierdoor kan elke onderzoeker, ongeacht hun technische achtergrond, direct zien hoe een specifieke genfamilie is geëvolueerd over de gehele boom van het groene leven.

De database werkt als een zeer georganiseerde bibliotheek waar je op verschillende manieren naar genen kunt zoeken. Als een wetenschapper een specif으로 gen bestudeert, kan hij de naam invoeren, en het systeem laat onmiddellijk de overeenkomstige genen in alle 57 soorten zien. Het biedt vervolgens een visuele stamboom die laat zien hoe die genen aan elkaar verwant zijn, en geeft een lijst met de werkelijke genetische sequenties voor verder onderzoek. Als een onderzoeker daarentegen geïnteresseerd is in een specifiek type eiwitbouwsteen, kan hij zoeken op dat onderdeel. Het systeem vindt dan elk eiwit in elke soort dat dit specifieke blokje bevat, en laat zien hoe de omliggende delen van het eiwit in de loop van de tijd zijn veranderd. Dit is cruciaal omdat de arrangement van deze bouwstenen vaak bepaalt wat een eiwit doet. De database stelt wetenschappers ook in staat om hun eigen genetische gegevens te uploaden om deze te vergelijken met de 57 reeds opgeslagen soorten, of om standaard gelijkeniszoekopdrachten uit te voeren om nieuwe kandidaten voor onderzoek te vinden.

Om te bewijzen dat de tool werkt, hebben de onderzoekers deze getest op een bekende groep genen genaamd MAPKs, die fungeren als boodschappers binnen plantencellen en helpen bij het reageren op stress- en groeisignalen. Wanneer zij POGED gebruikten om naar deze genen te kijken, sorteerde de database ze correct in twee grote families op basis van hun interne structuur, wat overeenkwam met wat wetenschappers al jarenlang via handmatig onderzoek wisten. Dit bevestigde dat de database accuraat onderscheid kon maken tussen verschillende evolutionaire takken. Het team gebruikte de tool vervolgens om naar een specifiek eiwitbouwblokje te kijken dat in veel planteneiwitten voorkomt. Ze ontdekten dat hoewel dit kernblok algemeen is, het in verschillende planten vaak wordt gekoppeld aan andere "accessoire" blokken. Bijvoorbeeld, in sommige planten is het gekoppeld aan blokken die de plant helpen de buitenwereld waar te nemen, terwijl het in andere planten is gekoppeld aan blokken die helpen bij het herkennen van bacteriën. Dit patroon onthulde hoe planten op nieuwe manieren zijn geëvolueerd om hun omgeving waar te nemen door simpelweg deze modulaire onderdelen te herschikken.

De onderzoekers gebruikten POGED ook om de geschiedenis te verkennen van hoe planten leerden te overleven op het land. Door de evolutie te volgen van genen die betrokken zijn bij het sluiten van kleine gaatjes op bladeren, genaamd stomata (huidmondjes), hielp de database te bevestigen dat het vermogen om deze gaatjes te sluiten in reactie op droogtesignalen al aanwezig was in de voorouders van landplanten, lang voordat bloemplanten verschenen. Bovendien hielp het hulpmiddel om te ontdekken hoe bepaalde varens leerden hun stomata zeer snel te openen in reactie op blauw licht. De analyse toonde aan dat deze varens meerdere ronden van genverdubbeling hadden ondergaan, wat hen extra kopieën gaf van de genen die nodig zijn voor die snelle reactie. Deze genetische boost stelde hen waarschijnlijk in staat om te gedijen in de lichtarme omstandigheden van bosbodems, wat hen hielp een van de meest diverse groepen planten op aarde te worden.

De creatie van POGED vormt een belangrijke stap voorwaarts voor de plantwetenschap omdat het complexe evolutionaire gegevens toegankelijk maakt voor iedereen. Door gegevens van 57 representatieve soorten te integreren en het moeilijke werk van het vinden van genverwanten te automatiseren, stelt de database wetenschappers in staat zich te concentreren op ontdekking in plaats van op gegevensverwerking. Het is al gebruikt om genen te identificeren die planten helpen om met zout, hitte en zware metalen om te gaan, en om te begrijpen hoe planten met elkaar communiceren. Naarmate er meer genomen worden gesequenced en toegevoegd aan de collectie, zal dit hulpmiddel blijven dienen als een centraal knooppunt voor het begrijpen van hoe de groene wereld is veranderd en aangepast over honderden miljoenen jaren, en een helder beeld bieden van de genetische geschiedenis die ten grondslag ligt aan de diversiteit van het leven op onze planeet.