اسرار جنسی گیاهان: ۱۵۰ میلیون ساله بوته‌ای که تکامل تولیدمثلی گل‌ها را آشکار می‌کند
تولید مثل در گیاهان نقش حیاتی در سیستم‌های غذایی و تعادل اکوسیستم‌ها ایفا می‌کند، با این حال همچنان فرآیندی پیچیده است.
گیاهان مجموعه‌ای از استراتژی‌های تولیدمثلی را نمایش می‌دهند: برخی صرفاً نر یا ماده هستند، برخی دارای هر دو دستگاه نر و ماده هستند (هرمافرودیت)، و برخی دیگر می‌توانند در طول عمر خود تغییر جنسیت دهند.
درک عواملی که بر جنسیت گیاهان تأثیر می‌گذارد برای پیشرفت کشاورزی مدرن ضروری است.
مطالعه‌ای اخیر که در Nature Plants منتشر شده، بینش‌های جدیدی در مورد استراتژی‌های پیچیده تولیدمثلی گیاهان گلدار ارائه کرده است.
این مطالعه بر Amborella trichopoda تمرکز داشته است، گونه‌ای جذاب که به روشن‌سازی تکامل اولیه گیاهان گلدار کمک می‌کند.
اهمیت امبورلا
به رهبری محققان از انستیتوی بیوتکنولوژی HudsonAlpha و دانشگاه جورجیا، این مطالعه به بررسی ژنتیک Amborella trichopoda که تنها عضو باقی‌مانده از یک نسل قدیمی از گیاهان گلدار است که در حدود ۱۵۰ میلیون سال پیش از خویشاوندان خود منشعب شده‌اند، پرداخته است.
این ترکیب ژنتیکی منحصر به فرد، دیدگاهی ارزشمند در مورد چگونگی تکامل و تنوع گیاهان گلدار ارائه می‌دهد.
در سال ۲۰۱۳، تیمی بین‌المللی به رهبری مشترک پروفسور جیم لیونز مک، اولین پیش‌نویس ژنوم Amborella را تکمیل کرد که از آن زمان به عنوان یک معیار برای مطالعه گیاهان گلدار تبدیل شده‌است.
این کار اولیه بسیار تأثیرگذار بوده است، رسیدن به بیش از ۵۷۵ استناد در ادبیات علمی.
«نسل تکاملی که به Amborella منتهی شده، از تمام دیگر گیاهان گلدار در حدود ۱۵۰ میلیون سال پیش منشعب شده است»، لیونز مک توضیح می‌دهد. «این ژنوم بنیادی، امکان تحلیل‌های مقایسه‌ای که منشأهای ژنتیکی گیاهان گلدار و پیش‌سازهای آن‌ها را ردیابی می‌کند، فراهم کرده است.»
تحولات جدید در تحلیل ژنوم
تحقیقات اخیر بر اساس ژنوم اصلی Amborella ساخته شده، بینش‌هایی در مورد تکامل تولیدمثلی فراهم کرده است.
الکس هارکس، دکترا، یک دانشجوی سابق در آزمایشگاه لیونز مک و اکنون یک محقق هیئت علمی در HudsonAlpha، در این کار کنار دانشجویش، سارا کری، دکترا، نقش داشت.
آن‌ها با لیونز مک و همکاران در تحلیل ژنوم تازه سرهم‌بندی شده Amborella همکاری کردند.
هارکس درباره تجربه تحول‌آفرین کار بر روی پروژه اولیه ژنوم می‌گوید، «این به من اجازه داد تا با فناوری‌ها و نرم‌افزارهای پیشرفته‌ای که برای مدیریت داده‌های عظیم ژنومی که تولید کردیم ضروری هستند، درگیر شوم.»
کری که در تحلیل کروموزوم‌های جنسی در کار پسا دکترا تخصص داشت، نقش کلیدی در فرآیند مونتاژ ژنوم ایفا کرد.
تیم از ابزارهای پیشرفته تعیین توالی و محاسباتی برای ساخت تصویر واضح‌تری از ژنوم Amborella استفاده کرد.
کشفیات درباره کروموزوم‌های جنسی
یکی از نتایج هیجان انگیز این مطالعه، شناسایی کروموزوم‌های جنسی Amborella بود، که به عنوان Z و W شناخته می‌شوند و با کروموزوم‌های انسانی X و Y تفاوت دارند.
سرهم‌بندی جدید ژنوم، محققان را در مکان‌یابی این کروموزوم‌های جنسی و بررسی ویژگی‌های آن‌ها یاری کرد.
یک یافته جالب این است که کروموزوم‌های Z و W Amborella نسبتاً جوان هستند، که بیش از ۱۰۰ میلیون سال پس از انشعاب گونه از دیگر گیاهان گلدار شکل گرفته‌اند. این زمان‌بندی، اطلاعاتی درباره تکامل تعیین جنسیت در گیاهان ارائه می‌دهد.
به طور معمول، کروموزوم‌های جنسی تبادل مواد ژنتیکی را با همکارانشان انجام می‌دهند.
با این حال، این تبادل در بسیاری از گونه‌ها، از جمله انسان، نهایتاً متوقف می‌شود، که منجر به ویژگی‌های ژنتیکی متمایز بر روی هر کروموزوم می‌شود.
در حالی که تیم علائم توقف تبادل در Amborella را کشف کردند، کروموزوم‌های Z و W همچنان مشابهات قوی نشان می‌دهند، که مونتاژ هر کروموزوم را پیچیده‌تر می‌کند.
«پایپ‌لاین سیتوژنتیک از طریق تعیین توالی ما برای شناسایی مرز کروموزوم‌های جنسی که در آن تبادل متوقف می‌شود، حیاتی بود»، کری توضیح می‌دهد. درک این مرز حیاتی است زیرا احتمالاً حاوی ژنی است که مسئول توسعه گل‌های نر و ماده است.
از طریق تحلیل دقیق خود، تیم دو ژن مهم را شناسایی کرد که معتقد هستند نقش مهمی در تمایز گیاهان نر و ماده ایفا می‌کنند.
بینش‌های کسب‌شده از مطالعه Amborella trichopoda پیچیدگی‌های تولید مثل گیاهی و عواملی که بر آن تاثیر می‌گذارند را به تصویر می‌کشد.
به عنوان محققان همچنان در درک پایه‌های ژنتیکی گیاهان گلدار، این یافته‌ها وعده می‌دهند که فهم ما از تنوع گیاهی را ارتقا دهند و اطلاعاتی به دست آورند که برایشیوه‌های کشاورزی حیاتی برای امنیت غذایی و سلامت اکوسیستم لازم است.
