UNIVERSITY PARK, Pensylwania — Najobszerniejsze jak dotąd badanie powiązań genetycznych między storczykami ujawnia, że ​​zdolność kwiatu do wzrostu na innych roślinach ewoluowała niezależnie wielokrotnie. Zespół naukowców kierowany przez biologów z Penn State porównał sekwencje 1450 genów z 610 gatunków storczyków, aby zrekonstruować drzewo genealogiczne storczyków i wyjaśnić zależności ewolucyjne między wieloma podgrupami tej dużej rodziny roślin i wykazał, że „epifityzm” — zdolność rosnąć na innych roślinach — ewoluowały co najmniej 14 razy.

„Storczyki to jedna z dwóch największych rodzin roślin, licząca około 28 000 gatunków” – powiedział Hong Ma, Huck Chair in Plant Reproductive Development and Evolution oraz profesor biologii w Penn State i główny autor artykułu. „Orchidee są wysoko cenione w społeczności ogrodniczej ze względu na ich piękno, są używane w środkach ludowych na wielu obszarach, na których rosną, i są ważne ekonomicznie dla produkcji wanilii. Zrozumienie relacji między wieloma gatunkami może potencjalnie pomóc nam zidentyfikować nowe zastosowania storczyków i lepiej zrozumieć, w jaki sposób ewoluowały ich cechy, w tym epifityzm”.

Artykuł opisujący badanie ukazał się 12 maja w Journal of Integrative Plant Biology.

Zespół badawczy zebrał próbki storczyków z ogrodów botanicznych i współpracowników z całego świata. Spośród 610 zebranych gatunków wiele miało istniejące dane genetyczne, ale naukowcy stworzyli nowe sekwencje RNA dla transkryptomów – zbiór wszystkich genów wyrażanych przez organizm – 431 gatunków. Okazy obejmowały przedstawicieli wszystkich pięciu podrodzin storczyków, 19 z 22 plemion, 44 z 51 podplemion i 297 rodzajów – poziom klasyfikacji tuż nad gatunkami. Porównali sekwencję 1450 genów spośród 610 gatunków, aby zrekonstruować drzewo genealogiczne storczyków.

„Było kilka wcześniejszych badań z mniejszą liczbą gatunków i mniejszą reprezentacją różnych podgrup w obrębie rodziny orchidei” – powiedział Ma. „Nasze większe badanie pozwoliło nam wypełnić kilka luk w drzewie genealogicznym storczyków i wyjaśnić relacje między storczykami”.

Storczyki rosną głównie w lasach deszczowych, a większość, około 70%, rośnie na innych roślinach, a nie w glebie na dnie lasu. Ta zdolność, która występuje również u roślin, takich jak mchy i niektóre paprocie, może dać im przewagę we wzroście poprzez wystawienie ich na światło słoneczne, wodę i zapylacze, gdzie konkurencja ze strony innych roślin jest mniejsza. Hodowcy storczyków w domu będą wiedzieć, że są one sadzone w doniczkach na korze drzewa, a nie na ziemi.

Większość epifitycznych storczyków występuje w dwóch z pięciu podrodzin storczyków, ale nie było jasne, ile razy cecha mogła ewoluować niezależnie w tych liniach. Ponieważ rodzina storczyków jest tak duża, uzyskanie jasnego obrazu ewolucji cechy wymagało dużej liczby gatunków użytych w tym badaniu, w tym większej reprezentacji gatunków z wielu drobniejszych gałęzi drzewa genealogicznego.

„Zainwestowaliśmy dużo czasu i energii, aby uzyskać dane genetyczne dla ponad 400 dodatkowych gatunków storczyków, co pozwoliło nam mieć pewność, że przedstawiamy relacje między gatunkami – które są bliżej spokrewnione, a które bardziej odległe – i zrekonstruować, gdzie w drzewie genealogicznym ewoluował epifityzm” – powiedział Ma. „Na podstawie naszych danych widzimy, że epifityzm ewoluował niezależnie co najmniej 14 razy. Jeden z nich był wspólny dla około 95% storczyków epifitycznych i wystąpił 55 milionów lat temu, wspierając powstawanie współczesnych lasów deszczowych w krótkim czasie po wyginięciu dinozaurów”.

Lasy deszczowe, w których rosną storczyki, są niezwykle ważne dla ich różnorodności biologicznej, a storczyki epifityczne mogą stanowić do 50% różnorodności roślin w lasach deszczowych.

„Zrozumienie relacji między gatunkami storczyków może nam pomóc w wysiłkach na rzecz ochrony przyrody, przyszłych badaniach nad ewolucją cech storczyków oraz w identyfikacji nowych potencjalnych zastosowań storczyków” – powiedziała Ma.

Oprócz Ma w skład zespołu badawczego wchodzą Guojin Zhang i Yi Hu z Penn State; Ming-Zhong Huang, Ding-Kun Liu, Diyang Zhang i Zhong-Jian Liu z Fujian Agriculture and Forestry University w Fuzhou w Chinach; Wei-Chang Huang w ogrodzie botanicznym Chenshan w Szanghaju w Chinach; Haihua Hu z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie; i Jason L. Downing w Fairchild Tropical Botanic Garden w Coral Gables na Florydzie. Badanie zostało sfinansowane ze środków Eberly College of Sciences i Huck Institutes of the Life Sciences w Penn State oraz Forestry Peak Discipline Construction Project of Fujian Agriculture and Forestry University.