Badanie związku między tempem wzrostu drzew tropikalnych a częstotliwością gromadzonych przez nie mutacji genetycznych sugeruje, że starsze, długowieczne drzewa odgrywają większą rolę w generowaniu i utrzymywaniu różnorodności genetycznej niż drzewa krótkotrwałe.

Badanie, opublikowane dzisiaj w eLife jako recenzowany preprint, dostarcza tego, co redaktorzy opisują jako przekonujący dowód na to, że gatunki drzew uzyskują mutacje w podobnym tempie rocznym, niezależnie od podziału komórek i niezależnie od tempa ich wzrostu.

Odkrycia mogą być wykorzystane do informowania o strategiach ochrony ekosystemów, szczególnie w lasach tropikalnych Azji Południowo-Wschodniej, które są zagrożone zmianami klimatycznymi i wylesianiem.

„Różnorodność biologiczna ostatecznie wynika z mutacji, które zapewniają organizmom zmienność genetyczną w celu przystosowania się do ich środowiska” – wyjaśnia współautorka Akiko Satake, profesor na Wydziale Biologii Wydziału Nauk Uniwersytetu Kyushu w Japonii. „Jednak to, jak i kiedy te mutacje występują w naturalnych środowiskach, jest słabo poznane”.

Mutacje somatyczne to spontaniczne zmiany w DNA organizmu, które zachodzą podczas jego życia. Mogą powstać z powodu czynników zewnętrznych, takich jak promieniowanie ultrafioletowe, lub czynników wewnętrznych, takich jak błędy replikacji DNA. Nie jest jasne, który z tych czynników powoduje częściej mutacje, szczególnie w tropikalnych ekosystemach i drzewach, które nie są tak dobrze scharakteryzowane, jak ich bardziej umiarkowane odpowiedniki.

Aby lepiej to zrozumieć, Satake i współpracownicy zbadali tempo i wzorce mutacji somatycznych w dwóch gatunkach drzew tropikalnych występujących na środkowym Borneo w Indonezji: wolno rosnącym Shorea laevis (S.laevis)i szybko rosnących S. leprosula. Gatunki S. leprosula rośnie ponad trzy razy szybciej niż S. Laevis.

Porównanie mutacji somatycznych dwóch gatunków drzew pozwoliło zespołowi uzyskać wgląd w wpływ tempa wzrostu na akumulację tych mutacji oraz jego potencjalną rolę w napędzaniu ewolucji i różnorodności gatunkowej. Zebrali siedem próbek DNA z liści na najwyższym poziomie gałęzi drzew, a także próbki z pnia każdego drzewa, w sumie 32 próbki. Długość i pierśnicę drzew wykorzystano do określenia średniego wieku każdego gatunku na obszarze pobierania próbek. S. Laevis drzewa miały średnio 256 lat, podczas gdy S. leprosula drzewa miały średnio 66 lat.

Aby zidentyfikować obecne mutacje, zespół stworzył referencyjny zestaw danych genetycznych dla każdego gatunku drzewa, wykorzystując DNA zebrane z liści. Sekwencja genomu została określona przy użyciu techniki zwanej długim odczytem PacBio RS II i krótkim odczytem sekwencjonowania Illumina. Zespół dwukrotnie wyekstrahował DNA z każdej próbki, co pozwoliło im wskazać warianty pojedynczych nukleotydów (SNV) u tego samego osobnika, identyfikując te, które były identyczne w obu próbkach. Stwierdzono, że większość mutacji występuje w obrębie pojedynczej gałęzi drzewa. Jednak niektóre mutacje znaleziono na wielu gałęziach, co sugeruje, że zostały przeniesione między gałęziami w pewnym momencie wzrostu drzewa.

U obu gatunków zespół zauważył liniowy wzrost liczby mutacji wraz z fizyczną odległością między gałęziami. Tempo mutacji na metr było średnio 3,7 razy większe w wolno rosnących S. leavis niż w szybko rosnących S. leprosula, co sugeruje, że wolno rosnące drzewa gromadzą więcej mutacji somatycznych. Jednak biorąc pod uwagę różnice w tempie wzrostu i obliczając tempo mutacji rocznie, oba gatunki miały równe wskaźniki. To odkrycie sugeruje, że mutacje somatyczne gromadzą się w sposób podobny do zegara, gdy drzewo się starzeje, niezależnie od replikacji DNA i tempa wzrostu.

„Odkryliśmy również, że mutacje somatyczne są neutralne u osobnika – to znaczy, że nie są ani korzystne, ani szkodliwe dla przeżycia. Jednak te mutacje przekazywane następnym pokoleniom podlegają silnej selekcji naturalnej podczas kiełkowania i wzrostu nasion”, mówi współautor Ryosuke Imai, doktor habilitowany na Wydziale Biologii Wydziału Nauk Uniwersytetu Kyushu. „Sugeruje to, że mutacje somatyczne kumulują się z czasem, a starsze drzewa w większym stopniu przyczyniają się do generowania zmienności genetycznej i adaptacji do środowiska, zwiększając w ten sposób szanse przetrwania gatunku”.

Imai i współpracownicy zachęcają do dalszych badań w tej dziedzinie. W szczególności twierdzą, że do rozważenia asymetrycznego podziału komórek podczas wydłużania i rozgałęziania konieczne byłoby modelowanie matematyczne w celu dalszej weryfikacji wyników.

„W przypadku drzew mutacje somatyczne mogą być przenoszone na nasiona, powodując bogate zróżnicowanie genetyczne w kolejnych pokoleniach” — stwierdza jeden z autorów, Masahiro Kasahara, profesor nadzwyczajny na wydziale biologii obliczeniowej i nauk medycznych Uniwersytetu Tokijskiego w Japonii. „Ponieważ tropikalne lasy deszczowe Azji Południowo-Wschodniej stoją w obliczu zagrożeń związanych ze zmianą klimatu i wylesianiem, nasze badanie sugeruje, że długowieczne drzewa mogą odgrywać kluczową rolę w utrzymaniu i zwiększaniu zmienności genetycznej tych systemów tropikalnych”.

Odniesienie: Ryosuke Imai Takeshi Fujino Sou Tomimoto Kayoko Ohta Mohammad Na’iem Sapto Indrioko undefined Widiyatno Susilo Purnomo Almudena Mollá-Morales Viktoria Nizhynska Naoki Tani Yoshihisa Suyama Eriko Sasaki Masahiro Kasahara Akiko Satake. Zegar molekularny długowiecznych drzew tropikalnych jest niezależny od tempa wzrostu. eŻycie 2023 r.: 10.7554/eLife.88456.1

Ten artykuł został ponownie opublikowany z następującego materiały. Uwaga: materiał mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z cytowanym źródłem.