Ancient sex compatibility genes underlie tissue differentiation in mushrooms

Complex leven steunt vaak op een blauwdruk. In dieren en planten verdeelt een enkele bevruchte cel zich en organiseert zichzelf tot een miniatuurversie van de volwassen vorm, compleet met duidelijke organen zoals harten, bladeren of wortels. Dit proces, bekend als embryogenese, creëert gespecialiseerde weefsels die specifieke taken uitvoeren. Schimmels bouwen hun complexe structuren echter op een totaal andere manier. In plaats van cellen te verdelen om organen te vormen, groeien ze lange, draadvormige buisjes die hyfen worden genoemd, die uitwaaieren en in elkaar verweven. Eeuwenlang hebben wetenschappers gedebatteerd of deze geweven matten van draden, die paddenstoelen vormen, werkelijk weefsels bezitten met gespecialiseerde functies, of dat het slechts losse aggregaten van vergelijkbare cellen zijn. De vraag bleef moeilijk te beantwoorden omdat de draden microscopisch zijn en de structuren minuscuul, wat het lastig maakt om te zien hoe één deel van een paddenstoel genetisch zou kunnen verschillen van een ander deel.

Een team van onderzoekers heeft nu de genetische activiteit van een paddenstoel in kaart gebracht met een detailniveau dat nog nooit eerder is bereikt, waarmee is onthuld dat deze schimmelstructuren inderdaad echte weefsels bezitten. Door de algemene inktzwam te bestuderen, ontdekten zij dat verschillende regio's van het vruchtlichaam unieke sets genen activeren, waardoor er onderscheidende functionele zones ontstaan, vergelijkbaar met de organen in een menselijk lichaam. Het meest verrassende was dat het genetische systeem dat bepaalt hoe deze paddenstoelen partners vinden, hetzelfde systeem bleek te zijn dat de groei van hun weefsels aanstuurt. Dit suggereert dat de evolutie een oud paringssignaal heeft hergebruikt om het complexe probleem op te lossen van het bouwen van een meercellig structuur vanuit eenvoudige draden.

Om deze verborgen patronen te ontdekken, richtten de onderzoekers zich op een modelpaddenstoel genaamd Coprinopsis cinerea. Ze begonnen de schimmel in een gecontroleerde omgeving te kweken en wachtten tot deze de kleine, ontwikkelende vruchtlichamen vormde. Met behulp van een techniek genaamd laser-gecontroleerde microdissectie sneden ze de paddenstoel in extreem dunne secties en gebruikten ze een laser om specifieke, microscopische weefselregio's te isoleren. Ze verzamelden monsters van negen verschillende soorten weefsels, variërend van de beschermende buitenhuid tot de binnenkern waar sporen worden gemaakt, en van de vroegste stadia van groei tot de bijna volwassen paddenstoel. Omdat de monsters zo klein waren, moest het team gespecialiseerde methoden ontwikkelen om de RNA te extraheren en te sequensen, die fungeert als een verslag van welke genen actief zijn in elk specifiek punt.

De resulterende genetische kaarten toonden een duidelijke taakverdeling. De onderzoekers ontdekten dat de buitenste lagen van de paddenstoel, die het kwetsbare interieur beschermen, genen tot expressie brachten die gerelateerd zijn aan defensie en waterresistentie. Deze regio's produceerden eiwitten die water afstoten en insecten of andere schimmels afweren. In contrast hiermee waren de weefsels van de binnenkern, die de kap, steel en lamellen vormen, druk bezig met genen die betrokken zijn bij snelle groei, energieproductie en celdeling. De lamellen, die de sporen produceren, vertoonden een unieke genetische signatuur die gericht is op DNA-herstel en replicatie. Deze duidelijke scheiding van genetische activiteit bevestigde dat de verschillende delen van de paddenstoel niet alleen fysiek verschillend zijn, maar ook functioneel gespecialiseerd zijn, werkend als echte weefsels met toegewezen rollen.

De meest onverwachte ontdekking kwam naar voren toen de onderzoekers zochten naar de hoofdschakelaars die deze differentiatie aansturen. Ze ontdekten dat de genen die het meest actief waren in specifieke weefsels, niet de genen waren die gewoonlijk geassocieerd worden met ontwikkeling in dieren of planten. In plaats daarvan waren de belangrijkste regulatoren genen die betrokken zijn bij paring. Bij schimmels vindt paring meestal plaats vóór de vorming van het vruchtlichaam, wanneer twee compatibele draden samensmelten. Dit proces vertrouwt op chemische signalen genaamd feromonen en receptoren die draden in staat stellen een partner te herkennen. De studie onthulde dat deze zelfde feromoon- en receptorgenen, samen met enzymen die helpen bij de verwerking ervan, tijdens de groei van de paddenstoel in specifieke weefsels worden ingeschakeld.

Om te bewijzen dat deze genen daadwerkelijk de vorming van weefsels aanstuurden, creëerden de onderzoekers gemuteerde versies van de paddenstoel waarbij specifieke paringsgenen werden uitgeschakeld. Wanneer zij deze genen verwijderden, ontwikkelden de paddenstoelen zich niet correct. Sommige mutanten hadden misvormde of aan elkaar geplakte kappen, terwijl anderen er niet in slaagden om lamellen te vormen. In sommige gevallen stopten de paddenstoelen zelfs op een zeer vroeg stadium met groeien. Deze resultaten toonden aan dat het paringssysteem niet slechts een overblijfsel uit het verleden was, maar actief vereist was om de paddenstoel te bouwen. De onderzoekers concludeerden dat de evolutie dit oude communicatiesysteem, dat oorspronkelijk hielp draden bij elkaar te vinden, had gecoöpteerd om nu de draden te helpen zichzelf te organiseren in een complexe, meercellige structuur.

De studie onderzocht ook hoe deze genetische patronen over miljoenen jaren zijn veranderd. Door de genen van de paddenstoel te vergelijken met die van andere schimmels, vonden het team dat de genen die verantwoordelijk zijn voor weefselspecialisatie oud zijn, daterend van honderden miljoenen jaren geleden. Echter, de specifieke manier waarop deze genen worden gebruikt om weefsels te bouwen, lijkt een recentere innovatie te zijn. De onderzoekers observeerden dat de genetische activiteit tijdens de ontwikkeling van de paddenstoel meer geconserveerd wordt, wat betekent dat de latere stadia vertrouwen op oudere, stabielere genetische programma's. Dit patroon verschilt van wat wordt gezien bij dieren, waar de vroegste stadia vaak het meest geconserveerd zijn. Bij paddenstoelen is het laatste weefsel dat verschijnt, de lamellen, degene die de oudste set genen tot expressie brengt, wat hun rol als primaire locatie voor sporeproductie weerspiegelt.

Dit werk biedt de eerste duidelijke genetische verklaring voor hoe paddenstoelen hun complexe vormen bouwen. Het laat zien dat, ondanks dat ze groeien vanuit eenvoudige draden, deze schimmels een niveau van organisatie bereiken dat vergelijkbaar is met dat van dieren en planten. De bevindingen suggereren dat het vermogen om complexe weefsels te vormen niet beperkt is tot organismen die groeien door celdeling, maar ook kan voortkomen uit organismen die groeien door het uitbreiden van draden. Door een oud paringssysteem te hergebruiken om de ontwikkeling te controleren, hebben paddenstoelen een unieke oplossing gevonden voor de uitdaging om een complex, meercellig lichaam te bouwen. Deze ontdekking overbrugt een gat in ons begrip van hoe complex leven evolueert, door te laten zien dat de natuur tot vergelijkbare oplossingen kan komen — gespecialiseerde weefsels en organen — via zeer verschillende genetische paden.